ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ГИБРИДНЫЙ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
HIGH-VOLTAGE HYBRID PHOTOSENSITIVE DEVICE FOR DETECTING LOW-INTENSITY RADIATION

Изобретение относится к гибридным фоточувствительным приборам, предназначенным для регистрации излучения малой интенсивности. Данные системы могут бы же в гражданской индустрии.
Из уровня техники известны гибридные фоточувствительные приборы, служащие для регистрации излучения и усиления изображения. Например, известен патент на твердотельный измерительный преобразователь, усиливающий яркость изображения RU 2297070 от 09.10.2002, МПК H01J 31/50. Твердотельный измерительный преобразователь, усиливающий яркость изображения, содержит фотокатод, микроканальную пластину (МКП), твердотельный формирователь сигналов изображения, первый электрический вывод для приложения напряжения между фотокатодом и микроканальной пластиной, второй электрический вывод для приложения напряжения между микроканальной пластиной и твердотельным формирователем сигналов изображения; электрический вывод для выведения усиленного сигнала изображения с твердотельного формирователя сигналов изображения; вакуумный корпус, содержащий собранные в единый блок фотокатод, микроканальную пластину и твердотельный формирователь сигналов изображения.
Как правило, напряжение между фотокатодом и входом МКП используется в подобных приборах для включения и выключения прибора, а также для осуществления режима стробирования. Когда напряжение на фотокатоде смещено в отрицательную сторону относительно входа МКП, то поток электронов выходит из фотокатода, поступает в МКП, и на выход прибора поступает усиленный сигнал. Если же напряжение на фотокатоде положительно по отношению ко входу МКП и его значение превышает начальную энергию вылетевших фотоэлектронов, то фотоэлектроны не могут преодолеть потенциальный барьер (фототок не попадет в МКП) и прибор будет заперт.
Известен фотодетектор для регистрации излучения малой интенсивности (заявка US 2011/0256655, от 20.10.2011, МПК H01L 31/18). Данное устройство содержит фотокатод, электронно-чувствительную матрицу формирования изображения, расположенную на малом расстоянии от фотокатода, и источник создания электрического поля между фотокатодом и матрицей.
Недостаток данного технического решения заключается в том, что необходимая для работы прибора разность потенциалов между фотокатодом и матрицей составляет несколько киловольт, а для запирания прибора требуется подать между ними напряжение противоположной полярности, т.е. диапазон изменения напряжения должен составить несколько киловольт. Быстрое изменение (на уровне наносекунд) напряжения в таких пределах технически очень сложно и на практике нереализуемо. Из-за этого прибор не может использоваться в режиме стробирования, что ограничивает его области применения.
Задача настоящего технического решения заключается в создании высоковольтного гибридного фоточувствительного прибора для регистрации излучений малой интенсивности. Технический результат - обеспечение функции стробирования гибридного фоточувствительного прибора при больших напряжениях.
Это достигается за счет того, что высоковольтный гибридный фоточувствительный прибор для регистрации излучений малой интенсивности содержит последовательно расположенные в вакуумном корпусе фотокатод, проводящую сетку, выполненную из материала с низким коэффициентом вторичной эмиссии, и электронно-чувствительную матрицу формирования изображения, а также расположенный за пределами вакуумного корпуса блок питания для подачи напряжения на фотокатод, сетку и матрицу, обеспечивающий подачу переменного напряжения противоположных полярностей между фотокатодом и сеткой для запирания и отпирание фотокатода.
Данное техническое решение изображено на рис. 1.
Высоковольтный гибридный фоточувствительный прибор содержит герметичный вакуумный корпус 1, входное окно 2 с нанесенным на его внутреннюю сторону фотокатодом 3, проводящую сетку 4, выполненную с низким коэффициентом вторичной эмиссии, электронно-чувствительную матрицу формирования изображения (ЭЧ матрица) 5, расположенную на основании 6. В качестве матрицы формирования изображения может быть использована электронно-чувствительная ПЗС-матрица или КМОП-матрица. Вакуумный герметичный корпус 1 состоит из металлических контактных колец 7 (контакт на фотокатод) и 8 (контакт на матрицу) и керамического изолятора 9, расположенного между ними. Керамическое кольцо 9 обеспечивает необходимое расстояние между контактными кольцами 7 и 8 для подачи достаточно высоких напряжений. Благодаря специфической конструкции входного окна 2 образуется малый промежуток между фотокатодом 3 и ЭЧ матрицей 5.
Проводящая сетка 4 прикреплена к вакуумному корпусу 1 посредством узла 10, обеспечивающего контакт на сетку. Проводящая сетка 4 выполнена из материала с низким коэффициентом вторичной эмиссии, то есть малочувствительного к высокоэнергетичным электронам, например, из медно-никелевого полотна. Конфигурация проводящей сетки 4 может быть различной: например сетчатой, линейной, круговой или любой другой с различным шагом и/или размером ячейки сетки.
Прибор работает следующим образом. Для включения прибора на промежуток между фотокатодом 3 и основанием 6 подают разность потенциалов несколько киловольт (1,5-7 кВ). Это достигается за счет того, что на контактные кольца 7 и 8 герметичного корпуса подают разное напряжения, например на контактное кольцо 7 подают отрицательное напряжение -4 кВ, на контакт сеточного узла 10 подают отрицательное напряжение, например -3.8 кВ, тогда как контактное кольцо 8 заземлено. Напряжение подается на межэлектродные промежутки (фотокатод - сетка и сетка - матрица), что обеспечивает формирование между ними ускоряющего электрического поля: 200 В между фотокатодом и сеткой и 3.8 кВ между сеткой и матрицей. За счет приложения большого ускоряющего напряжения между фотокатодом 3 и матрицей 5 достигается значительный коэффициент усиления, достаточный для регистрации изображений малой интенсивности.
Электромагнитное излучение, проходя через входное окно 2, поступает на фотокатод 3, где в результате фотоэффекта образуются электроны. Под действием электрического поля электроны вылетают из фотокатода 3 по направлению к сетке 4 и электронно-чувствительной матрице формирования изображения 5, проходят сквозь ячейки сетки, на промежутке между фотокатодом и ЭЧ матрицей разгоняются за счет ускоряющего напряжения и бомбардируют ЭЧ матрицу 5 со стороны утоненной подложки. В результате бомбардировки матрицы электронами большой энергии (в нашем примере это 4 кэВ) достигается значительный коэффициент усиления, достаточный для регистрации изображений малой интенсивности, и формируется усиленный электрический сигнал. Данный сигнал выводится за пределы герметичного вакуумного корпуса 1 посредством специальных электродов (на рис. не показаны).
Для того чтобы запереть прибор, на проводящую сетку через контакт 10 подают отрицательное напряжение, большее, чем напряжение на фотокатоде, например -4,01 кВ. Так как начальная энергия фотоэлектронов составляет всего несколько электрон-вольт, то даже небольшая разность потенциалов (10 В) создаст непреодолимый потенциальный барьер, т.е. такое напряжение на проводящей сетке запирает фотокатод, и ток в приборе прекращает течь. Таким образом, между фотокатодом и сеткой разность потенциалов меняется в небольших пределах: в нашем примере это от ускоряющих 200 В до запирающих минус 10 В, т.е. всего на 210 В. Такие небольшие значения напряжений можно изменять быстро. При этом большая разность потенциалов между сеткой и матрицей (в нашем примере это 3,8 кВ) остается неизменной. Это позволяет использовать прибор в режиме стробирования, в том числе совместно с источником лазерного излучения. Аналогичным образом можно осуществлять запирание прибора путем изменения потенциала фотокатода, при этом потенциал сетки остается неизменным. В нашем примере в этом случае на сетке сохраняется потенциал -3,8 кВ, а на контакт фотокатода для запирания подается потенциал -3,79 кВ (вместо -4,0 кВ в открытом режиме), т.е. потенциал фотокатода изменяется всего на 210 В. Таким образом, за счет данного технического решения обеспечивается функция стробирования гибридного фоточувствительного прибора, работающего при высоких напряжениях, путем изменения потенциала на одном из электродов (фотокатод или сетка) в небольших пределах.