Полупрозрачный фотокатод
SEMITRANSPARENT PHOTOCATHODE

Техническое решение относится к области фотоэлектронных приборов (ФЭП) и может быть использовано для изготовления полупрозрачных фотокатодов для быстродействующих фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), электронно-оптических преобразователей (ЭОП) с функцией запирания фотокатода, работающих в импульсном режиме в видимой области спектра оптического излучения.
Как известно, многощелочной полупрозрачный фотокатод представляет собой структуру, которая содержит слой фоточувствительного материала (фотоэмиссионный слой), нанесенного на светопрозрачную подложку, представляющую собой входное окно полупрозрачного фотокатода. При работе фотоэлектронного прибора световой поток проходит через входное окно полупрозрачного фотокатода к фотоэмиссионному слою, нанесенному на внутреннюю сторону упомянутого входного окна. Фотоэмиссионный слой под действием энергии квантов света и за счет внешнего фотоэффекта эмитирует фотоэлектроны в вакуумное пространство фотоэлектронного прибора. Под действием внешнего ускоряющего поля, создаваемого высоким напряжением в фотокатодном промежутке (промежутке между поверхностями фотокатода и следующего за ним электрода) фотоэлектронного прибора, поток фотоэлектронов (фототок) направляется к аноду фотоэлектронного прибора и, таким образом, в анодной цепи возникает анодный ток, величина которого пропорциональна интенсивности светового потока. При этом образованный фототок усиливается и преобразуется с тем, чтобы на выходе фотоэлектронного прибора получить электрический сигнал в фотоэлектронном умножителе или оптический сигнал в виде изображения на экране в электронно-оптическом преобразователе. Качество изображения или электрического сигнала, полученных на выходе фотоэлектронного прибора, в большой степени зависит от квантовой эффективности фотокатода, то есть, эффективности преобразования его фотоэмиссионным слоем квантов света в фотоэлектроны, а также, от коэффициента пропускания входным окном фотокатода оптического излучения в определенном диапазоне длин волн. Так, низкий уровень квантовой эффективности фотокатода, так же, как и низкий коэффициент светопропускания его входного окна, обуславливают низкий уровень сигнала в фотоэлектронном умножителе, низкое качество изображения в электронно-оптическом преобразователе, которое проявляется в низкой яркости, малых значениях контрастных характеристик и разрешения изображения на экране ЭОП. Одним из параметров, отражающих квантовую эффективность фотокатода, является величина его интегральной чувствительности, которая определяется как величина фототока в микроамперах, вызываемого световым потоком в один люмен, полученным от источника света с непрерывным (сплошным) спектром (источник типа А). В быстродействующих фотоэлектронных приборах, работающих в режиме запирания фотокатода, латеральное (поперечное) сопротивление в структуре полупрозрачного фотокатода должно быть достаточно низким для того, что бы исключить неравномерность фототока по рабочему полю и пробои в фотокатодном промежутке по краю рабочего поля, возникающих при коротких импульсах подачи напряжения. С этой целью на прозрачную подложку полупрозрачного фотокатода до нанесения на неё фотоэмиссионного слоя наносят слой прозрачного проводящего материала с низким латеральным сопротивлением.
Из описания изобретения к авторскому свидетельству SU 1086990 A1 (публ. 07.02.1991, МПК H01J1/34) известно техническое решение полупрозрачного фотокатода, принятое в качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения полупрозрачного фотокатода. Известный полупрозрачный фотокатод, ближайший аналог, предназначен для использования в быстродействующих фотоэлектронных умножителях и электронно-оптических преобразователях, работающих в видимой области спектра излучения. Известный полупрозрачный фотокатод содержит стеклянную подложку и последовательно расположенные на ней прозрачный проводящий и фотоэмиссионный слои. Прозрачный проводящий слой содержит оксид индия и олово при определенном массовом соотношении компонентов от 4:1 до 6:1, соответственно, и имеет определенную толщину от 0,5 мкм до 0,7 мкм. Фотоэмиссионный слой полупрозрачного фотокатода, ближайшего аналога, выполнен сурьма-цезиевым или многощелочным. Техническое решение ближайшего аналога предполагает, что низкое сопротивление фотокатода при сохранении его прозрачности для оптического излучения может быть обеспечено, в частности, за счет выбора оптимальной толщины проводящего слоя. Однако, техническое решение полупрозрачного фотокатода, ближайшего аналога, на практике не обеспечивает возможность выполнения прозрачного проводящего слоя с заданной толщиной. Этот недостаток ближайшего аналога обусловлен тем, что в процессе формирования полупрозрачного фотокатода щелочные металлы фотоэмиссионного слоя, а преимущественно, сурьма, вступают в химическую реакцию с элементами прозрачного проводящего слоя. Соединения, являющиеся продуктами такого химического взаимодействия (преимущественно, антимонид индия), образуют между прозрачным проводящим и фотоэмиссионным слоями промежуточный слой, который частично замещает своей массой упомянутые взаимодействующие слои по обе стороны от границы их раздела. Соответственно этому, взаимодействующие прозрачный проводящий и фотоэмиссионный слои деградируют и уменьшаются по толщине, что приводит к значительному повышению латерального сопротивления полупрозрачного фотокатода. Вместе с этим, упомянутый промежуточный слой имеет низкий коэффициент светопропускания, высокое электрическое сопротивление и не способен к внешнему фотоэффекту в рабочем диапазоне длин волн, состоящем из видимой области спектра оптического излучения. В силу указанных причин полупрозрачный фотокатод, ближайший аналог, имеет крайне низкую интегральную чувствительность. Это приводит к очень низкому уровню выходного сигнала фотоэлектронного прибора, к увеличению значения пороговой освещенности, снижению коэффициента преобразования, что в электронно-оптическом преобразователе, особенно, при коротких временах экспозиции фотокатода, обуславливает низкое качество изображения, проявляющееся в низкой яркости, малых значениях контрастных характеристик и разрешения изображения на экране ЭОП. В быстродействующем фотоэлектронном умножителе низкий уровень выходного сигнала приводит к значительной погрешности регистрации и измерения светового потока. В высокоскоростных фотоэлектронных приборах уровень и качество выходного сигнала возможно повысить за счет увеличения времени экспозиции. Однако увеличение времени экспозиции приводит к снижению информативности о кратковременных и быстропротекающих процессах, наблюдаемых посредством фотоэлектронного прибора, что проявляется в искажении и размытии изображения движущегося объекта на экране электронно-оптического преобразователя, искажении выходного сигнала и некорректности данных в фотоэлектронном умножителе, снижает амплитудное разрешение фотоэлектронного умножителя, то есть, его способность различать близкие по интенсивности световые импульсы. Химическое взаимодействие элементов проводящего и фотоэмиссионного слоев фотокатода не прекращается на протяжении всего времени эксплуатации  фотоэлектронного прибора, поэтому деградация по толщине упомянутых взаимодействующих слоев полупрозрачного фотокатода и, соответственно, утолщение промежуточного слоя между ними продолжаются также на протяжении всего времени эксплуатации  фотоэлектронного прибора. Как следствие, это обусловливает ещё большее ухудшение указанных эксплуатационных характеристик фотоэлектронного прибора со временем и снижает срок его работоспособности, то есть, снижает надежность фотоэлектронного прибора. Попытки учесть способность элементов проводящего и фотоэмиссионного слоев к образованию непрозрачного промежуточного слоя в структуре полупрозрачного фотокатода при его проектировании и изготовлении приводят к технологическим сложностям процесса изготовления полупрозрачного фотокатода, в частности, к необходимости поддержания температурного режима процесса в строго заданных условиях. Вместе с этим, такой путь решения проблемы технического решения ближайшего аналога также не обеспечивают необходимые рабочие характеристики полупрозрачного фотокатода и фотоэлектронного прибора в целом. Таким образом, указанные недостатки в целом ухудшают эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора с применением в нём полупрозрачного фотокатода, выполненного по техническому решению ближайшего аналога.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик фотоэлектронного прибора с применением полупрозрачного фотокатода, а также, расширении арсенала средств аналогичного назначения.
Указанная техническая проблема решается тем, что полупрозрачный фотокатод, содержащий прозрачную подложку и последовательно расположенные на ней прозрачный проводящий и фотоэмиссионный слои, причем прозрачный проводящий слой содержит оксид индия и олово, а фотоэмиссионный слой содержит сурьму и, по меньшей мере, один щелочной металл, согласно заявляемого технического решения упомянутый полупрозрачный фотокатод содержит прозрачную пассивирующую плёнку, выполненную между прозрачным проводящим и фотоэмиссионным слоями для предотвращения их взаимодействия.
Такое техническое решение полупрозрачного фотокатода, за счет предотвращения взаимодействия прозрачного проводящего и фотоэмиссионного слоев, исключает наличие в структуре входного окна полупрозрачного фотокатода слоя с низким коэффициентом пропускания оптического излучения и с высоким латеральным сопротивлением. Соответственно, исключается связанное с утолщением упомянутого слоя уменьшение толщин фотоэмиссионного и прозрачного проводящего слоёв в процессе изготовления полупрозрачного фотокатода и его эксплуатации в фотоэлектронном приборе. Таким образом, обеспечивается возможность выполнения прозрачного проводящего и фотоэмиссионного слоёв с заданными толщинами, а также стабильность упомянутых слоёв по толщине на протяжении всего времени эксплуатации фотоэлектронного прибора с применением полупрозрачного фотокатода. В свою очередь, за счет обеспечения заданных оптимальных значений толщин прозрачного проводящего и фотоэмиссионного слоёв становится возможным обеспечить необходимое низкое сопротивление и  достаточную прозрачность в структуре полупрозрачного фотокатода, а значит, становится возможным повысить интегральную чувствительность полупрозрачного фотокатода и, тем самым, при тех же, что заявлены для ближайшего аналога, или меньших значениях времени экспозиции обеспечить высокий уровень (интенсивность) выходного сигнала, тем самым, повысить качество изображения (яркость, контрастность и разрешение) на экране электронно-оптического преобразователя, повысить точность регистрации и измерения ФЭУ светового потока, а при более коротких экспозициях, - амплитудное разрешение фотоэлектронного умножителя. За счет этого также становится возможным обеспечить стабильность рабочих характеристик во времени и повысить срок работоспособности фотоэлектронного прибора в целом, то есть повысить его надежность. Вместе с этим, возможность выполнения прозрачного проводящего слоя с заданной толщиной позволяет, задавая определенную толщину проводящего слоя и толщину прозрачной пассивирующей плёнки, изменять область спектрального просветления входного окна полупрозрачного фотокатода и, тем самым, сдвигать границы спектральной характеристики полупрозрачного фотокатода, то есть, изменять чувствительность полупрозрачного фотокатода в определенном интервале длин волн, а также, изменять максимум спектральной чувствительности фотокатода в зависимости от области применения фотоэлектронного прибора. Таким образом, заявляемая совокупность существенных признаков полупрозрачного фотокатода  обеспечивает возможность выполнения прозрачного проводящего и фотоэмиссионного слоёв с заданными толщинами, а также, стабильность упомянутых слоёв по толщине на протяжении времени эксплуатации фотоэлектронного прибора с применением полупрозрачного фотокатода, а также, возможность изменения чувствительности полупрозрачного фотокатода в определенном интервале длин волн и возможность изменения максимума спектральной чувствительности фотокатода в зависимости от области применения фотоэлектронного прибора. За счет указанных достигаемых технических результатов решается задача улучшения эксплуатационных характеристик фотоэлектронного прибора с применением заявляемого полупрозрачного фотокатода. Также, заявляемое техническое решение расширяет арсенал средств аналогичного назначения.
2
3
В заявляемом полупрозрачном фотокатоде прозрачная пассивирующая плёнка может быть выполнена, по меньшей мере, из одного слоя, при этом, по меньшей мере, один слой прозрачной пассивирующей плёнки может быть выполнен из AlO.
В заявляемом полупрозрачном фотокатоде прозрачный проводящий слой может быть выполнен из оксида индия и оксида олова при их массовом соотношении, соответственно, от 97:3 до 90:10. Данные соотношения упомянутых компонентов являются наиболее оптимальными для обеспечения значений латерального сопротивления и прозрачности прозрачного проводящего слоя, в их совокупности, наилучших для обеспечения высокой интегральной чувствительности полупрозрачного фотокатода.
В заявляемом полупрозрачном фотокатоде прозрачная подложка и прозрачная пассивирующая плёнка могут быть прозрачны как в видимой, так и в ближних ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра оптического излучения. Это позволяет расширить на упомянутую область спектра рабочий диапазон полупрозрачного фотокатода и, тем самым, расширить область применения фотоэлектронного прибора с применением упомянутого фотокатода.
В заявляемом полупрозрачном фотокатоде прозрачная подложка может быть выполнена из кварцевого стекла или сапфира.
2
3
Заявляемое техническое решение полупрозрачного фотокатода реализуют следующим образом. Предварительно определяют толщину прозрачного проводящего слоя, исходя из условия обеспечения низкого латерального сопротивления и необходимой прозрачности в структуре полупрозрачного фотокатода для обеспечения его высокой интегральной чувствительности. Определяют толщину прозрачной пассивирующей плёнки, исходя из условия предотвращения взаимодействия прозрачного проводящего и фотоэмиссионного слоёв. При необходимости, толщины пассивирующей плёнки и прозрачного проводящего слоя определяют также, исходя из требуемой области просветления входного окна полупрозрачного фотокатода или, исходя из необходимого максимума спектральной чувствительности фотокатода. На поверхность предварительно подготовленной прозрачной подложки, выполненной, например, из кварцевого стекла, наносят заданной толщиной прозрачный проводящий слой, содержащий оксид индия и олово. Прозрачный проводящий слой выполняют любым известным способом, например, способом электронно-лучевого испарения твёрдого раствора оксида индия и оксида олова при их массовом соотношении, соответственно, от 97:3 до 90:10. Для формирования проводящих и оптических свойств прозрачного проводящего слоя его подвергают термическому отжигу в условиях атмосферы. Поверх прозрачного проводящего слоя формируют заданной толщиной прозрачную пассивирующую плёнку из одного или нескольких слоев, например, способом электронно-лучевого испарения. При этом, по меньшей мере, один, слой прозрачной пассивирующей плёнки выполняют, например, из AlO. Поверх прозрачной пассивирующей плёнки любым известным способом формируют фотоэмиссионный слой с использованием сурьмы и, по меньшей мере, одного щелочного металла. Изготовленные таким образом образцы полупрозрачного фотокатода используют в составе быстродействующих фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей с функцией запирания фотокатода, работающих в импульсном режиме в видимой области спектра оптического излучения. В случае выполнения прозрачной подложки и прозрачной пассивирующей плёнки из материалов, обеспечивающих их прозрачность как в видимой, так и в ближних ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра оптического излучения, изготовленные образцы полупрозрачного фотокатода используют в составе упомянутых быстродействующих фотоэлектронных приборов для работы в видимой, ближних ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра оптического излучения. Интегральная чувствительность образцов полупрозрачного фотокатода, изготовленных по заявленному техническому решению, достигает 800 мкА/лм, что соответствует чувствительности аналогичных щелочных полупрозрачных фотокатодов без прозрачного проводящего слоя, работающих в фотоэлектронных приборах в режиме постоянного напряжения. Это показывает то, что в изготовленных образцах полупрозрачных фотокатодов толщины прозрачного проводящего и фотоэмиссионного слоёв имеют заданные исходные размеры, которые, в свою очередь, были определены исходя из заданных требований к характеристикам фотоэлектронного прибора с применением полупрозрачного фотокатода.