ВАКУУМНЫЙ ЭМИССИОННЫЙ ПРИЕМНИК ИЗОБРАЖЕНИЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА
VACUUM EMISSION RECEIVER FOR ULTRAVIOLET IMAGES

Данное изобретение относится к приемникам-преобразователям оптических изображений с внутренним усилением. Оно может быть использовано для регистрации и усиления оптических изображений объектов в спектральном диапазоне 40…270 нм вакуумного ультрафиолета (ВУФ), с возможностью последующего цифрового преобразования аналогового сигнала изображений.
Аналогами устройств, близких по спектру выполняемых задач, являются вакуумные эмиссионные приемники изображений архитектуры ЭОП (электронно-оптические преобразователи), чувствительные в спектральном диапазоне вакуумного ультрафиолета (180…350 нм). В частности, к аналогу заявляемого эмиссионного приемника изображений можно отнести ЭОП с мультищелочным фотокатодом, дополненный нелинейным специализированным полосовым фильтром и окном специальной конструкции, которые подавляют видимый и инфракрасный диапазоны, и обеспечивают ЭОП чувствительность в спектральном диапазоне 180…350 нм [1].
2
К аналогу устройства можно отнести, также, солнечно слепой ВУФ ЭОП (ЭОП чувствительный в спектральном диапазоне вакуумного ультрафиолета) с фотокатодом на основе алмазной пленки и спектральным диапазоном фоточувствительности в 180…270 нм [2]. В состав его конструкции входят пассивное входное окно на основе MgF либо специальных типов кварцевых стекол, фотокатод на основе алмазной пленки, умножитель потока электронов на основе микроканальной пластины (МКП). катодо-люминесцентный экран (КЛЭ) и волоконно-оптическая пластина (ВОП), объединенные единым высокоплотным металлокерамическим корпусом. В таком солнечно-слепом ВУФ ЭОП, изображение спектрального диапазона 180…270 нм, пассивно вводимое в ВУФ ЭОП через входное окно, преобразуется алмазным фотокатодов в изображение в фотоэлектронах.
-3
2
-11
0,5
Эмиссионные приемники изображений представленные в [1, 2], позволяют регистрировать и преобразовывать ВУФ изображения в указанных спектральных диапазонах при освещенностях в 10…10 люкс с пороговой чувствительностью не хуже 5×10 Вт/(Гц).
Существует множество задач требующих мобильного получения изображений объектов с линейными размерами в 90…150 нм в полевых условиях. В этот спектр задач входят задачи, связанные как с мониторингом биологических объектов (вирусология и микробиология), так и с изучением динамики процессов самоорганизации периодических субмикронных структур реализуемых методами нано-инженерии. Выбор метода и устройств для регистрации наноразмерных объектов и, при бесконтактных измерениях, выбор вида и характеристик опорного (либо активирующего) излучения в значительной степени зависит от геометрических размеров объектов, либо от требований предъявляемых к пространственному разрешению. Объекты размерами менее 250 нм изучаются, как правило, с использованием методов электронной микроскопии (РЭМ, ПЭМ) либо методов сканирующей зондовой микроскопии (ACM, СТМ). Реализация этих методов может быть организована только в стационарных условиях, является финансово- (и энерго-) затратной, и требует специализированной высокотехнологичной подготовки изучаемых образцов к измерениям, что вносит ряд серьезных ограничений, например, при изучении биологических объектов, и исключает возможность изучения динамики их поведения. При этом, следует иметь в виде, что в электронной микроскопии диагностируется не сам объект а его реплика, полученная посредством декорирования морфологии и топологии объекта нанометровым слоем тяжелых металлов (как правило, золота), нанесенным под острым углом на подложку с диагностируемыми объектами.
Для мобильного решения задач по диагностике объектов с размерным масштабом в 90…150 нм, необходима разработка переносных малогабаритных энергетически малозатратных приемников изображений, позволяющих получать объекты с линейными размерами в указанном диапазоне.
2
Близким по конструкции к заявляемому приемнику изображений является солнечно-слепой ВУФ ЭОП с фотокатодом на основе теллурида цезия (TeCs, спектральный диапазон 180-320 нм), с квантовой эффективностью ~ 10% при максимуме в диапазоне длин волн ~ 300 нм[3].
2
Прототипом заявляемому устройству выбран вакуумный эмиссионный приемник УФ изображений ЭОП архитектуры близкий по спектральному диапазону чувствительности и по конструкции [4]. Он представляет вакуумно-плотный корпус объединяющий совокупность последовательно расположенных базовых элементов, таких как: входное окно (ВО) через которое осуществляется пассивный ввод изображения ВУФ спектрального диапазон; нанометровой толщины слоя Cs-Sb расположенного на тыльной стороне входного окна, обеспечивающего эмиссию цезия в процессе облучения входного окна потоков фотонов регистрируемого изображения; фотокатода (ФК) на основе поликристаллической алмазной пленки расположенной на прозрачной для ВУФ излучения подложке (например, на сапфире), обеспечивающего пропорциональное преобразование оптического изображения ВУФ диапазона в изображение в фотоэлектронах/ ускоряющий промежуток и микроканальная пластина (МКП), обеспечивающая умножение изображения в ускоренных фотоэлектронах посредством преобразования их энергии и числа во вторичные электроны; ускоряющий промежуток потока вторичных электронов и катодолюминесцентный экран (КЛЭ), обеспечивающий пропорциональное преобразование картины изображений в ускоренных вторичных электронах в оптическое изображение видимой части спектрального диапазона; волоконно-оптическая пластина (ВОП), передающая оптическое изображение с КЛЭ на регистрирующее устройство с наименьшими энергетическими потерями и минимальными пространственными искажениями изображения объекта. Ввод оптического изображения в такой ВУФ ЭОП осуществляется через пассивное входное окно, которое изготавливают из специальных сортов кварцевых стекол либо на основе фтористого магния (MgF). Оптические характеристики пропускания таких входных окон обеспечивают приемлемую для практических применений прозрачность в ВУФ диапазоне с коротковолновой границей в 170…180 нм. Спектральный рабочий диапазон устройства прототипа определяется диапазоном прозрачности входного окна (свыше 170…180 нм) и прозрачности подложки фотокатода (в рабочем диапазоне 180…450 нм). Квантовая эффективность (η) алмазного фотокатода не превышает 12…15% (при максимуме в районе 250 нм) и, в случае нахождения на тыльной стороне входного окна ЭОП слоя Cs-Sb эмитирующего атомы Cs, увеличивается до 25% при одновременном расширении области чувствительности до 380…400 нм (при максимуме η вблизи 350 нм), что находится уже вне области вакуумного ультрафиолета.
-9
2
2
В то же время для возможности бесконтактной оптической диагностике субмикронных (либо наноразмерных) объектов необходимым является выполнение условия l>2⋅λ (где l - линейный размер объекта, λ - длина волны, в спектре которой регистрируется изображение объекта). Поэтому для возможности исследований вакуумными эмиссионными приемниками изображений наноразмерных и субмикронных объектов с размерами в ~ 90-150 нм, либо объектов излучающих в спектральном диапазоне 90…150 нм необходимо решить проблему эффективного ввода в ЭОП изображений в излучениях спектрального диапазона 40…200 нм. Ограничение "снизу" по спектральному диапазону чувствительности ЭОП (коротковолновая граница спектрального диапазона) определяется коэффициентом прозрачности входного окна ЭОП. Существует фундаментальная проблема эффективного ввода через входные окна в вакуумно-плотные объемы излучений короче 180 нм, связанная с отсутствием материалов прозрачных в спектральном диапазоне 40…170 нм, выдерживающих перепады давлений между внутренним объемом вакуумного эмиссионного приемника изображений (10 мм рт.ст.) и внешней средой (~ 700…760 мм рт.ст.). По физическим ограничениям прочное аморфное, поликристаллическое либо монокристаллическое вещество не поглощающее энергию излучений спектрального диапазона ~ 40-150 нм должно иметь ширину запрещенной зоны ~ 27…8 эВ, в то время как материалы, используемые в качестве входных окон вакуумных эмиссионных приемников ВУФ диапазона и удовлетворяющие требованиям по указанному перепаду давлений (MgF, кварц, нитрид галлия, алмаз), обеспечивают удовлетворительную прозрачность при вводе излучений в ЭОП только до коротковолновой границы в 180 нм соответствующей энергии квантов излучения в 5…6 эВ (MgF - 180 нм, кварц - 190 нм, нитрид алюминия - 250 нм (структура сфалерита), 200 нм (структура вюрцита), алмаз монокристаллический-227 нм, алмаз поликристаллический-270 нм). Все это делает невозможным использования ВУФ ЭОП для регистрации объектов с линейными размерами 90…150 нм.
Задачей заявляемого устройства является регистрация объектов с минимальными размерами в 90…150 нм. Нами предлагается конструкция, которая позволяет информацию об объекте в форме картины изображения в излучениях спектрального диапазона 40…150 нм, пропорционально преобразовать в объеме входного окна в картину изображений в излучениях на длине волны соответствующей сенсорным слоям фотокатодов с высокой квантовой эффективностью, в 738 (±5) нм. В частности, нами предлагается конструкция, в которой вместо пассивных к вводимому излучению материалов входного окна ЭОП используется алмазная пластину, на внешней стороне (по отношению к приемнику) которой сформирован алмазный слой, содержащий SiV центры, толщина которого больше обратной величины коэффициента поглощений для длинноволновой границы рабочего диапазона, которые эффективно с коэффициентом преобразования в ~ 10…15% преобразуют излучения ВУФ диапазона 40…270 нм в излучение на длине волны в 738 нм (±10 нм).
Таким образом, конструкция заявляемого устройства представит совокупность последовательно расположенных входного окна, фотокатода, умножителя потока электронов, катодолюминесцентного экрана, системы электродов и волоконно-оптической пластины, объединенных вакуумно-плотным корпусом, отличающееся тем, что входное окно выполнено из алмазной пластины насыщенной SiV центрами с внешней стороны до толщин больших обратной величины коэффициента поглощения входного излучения на длинах волн в 40…270 нм, а фотокатод из материалов чувствительных в спектральном диапазоне 730…740 нм расположен на тыльной стороне входного окна.
В заявляемой конструкции, существующая концепция выбора входного окна с наибольшей прозрачностью для рабочего спектрального диапазона, сменяется концепцией выбора активного входного окна, вещество которого (расположенное до толщин обратных величинам коэффициента поглощения) выполняет роль твердотельного пропорционального оптического преобразователя изображений ВУФ спектрального диапазона (40…270 нм) в изображения на длине волны в 738 нм (соответствующей прямым рекомбинационным переходам в SiV центрах), для которого объем алмазной пластины входного окна является прозрачным.
Так как эффективная генерация неравновесных носителей в чистых (не люминесцирующих, и не содержащих примесь азота) кристаллах алмаза реализуется в спектральном диапазоне 40…270 нм, с локальными максимами коэффициента преобразования вблизи 220 нм (~ 70%) и 90 нм (с 3-кратным ослаблением фотосигнала), то в обсуждаемом спектральном диапазоне изображения объекта в отраженном (опорном) либо излучаемом (активном) световых потоках, следует ожидать возможность визуализации в "ближнем поле" малоразмерных объектов с минимальными геометрическими размерами вплоть до 90 нм (l>2⋅λ).
Заявляемое устройство, регистрирующее изображения активных (излучающих в ВУФ диапазоне) либо пассивных (в отраженном ВУФ излучении) объектов, представлено на фиг. 1 и содержит следующие функциональные элементы:
1 - вакуумно-плотный металло-керамический корпус,
-1
2 - входное окно, выполненное на основе алмазной пластины насыщенной с внешней стороны SiV центрами, как минимум, до толщин - α (α - коэффициент поглощения света в рабочем спектральном диапазоне),
3 - фотокатод чувствительный в спектральном диапазоне ~ 730-740 нм и сформированный на тыльной стороне пластины алмазного входного окна,
4 - микроканальная пластина (МКП),
5 - катодолюминесцентный экран (КЛЭ),
6 - волоконно-оптическое стекло (ВОС),
7 - электроды к перечисленным элементам (не изображены на рисунке).
Работа заявляемого устройства, представленного на фиг. 1, осуществляется следующим образом. Изображение объекта, проецируемое на (2) входное окно (например, проекционной системой работающей в режиме "на отражение"), поглощается в объеме материала входного окна (алмазная пластина с SiV центрами), и пропорционально освещенности генерирует в плоскости алмазной пластины неравновесные электроны и дырки. Последние, захватываясь SiV центрами, излучательно рекомбинируют с рождением квантов света длинной волны ~ 738 нм и их числом пропорциональным интенсивности распределения входного ВУФ изображения в плоскости входного окна ЭОП. Результат взаимодействий - прямое пропорциональное спектральное преобразование ВУФ картины изображений в оптическое изображение на длине волны в 738 нм. Полученное изображение объекта на длине волны 738 нм попадает на фотокатод (3) осажденный на тыльной стороне входного окна (2), имеющий высокую квантовую эффективность с максимум чувствительности в диапазоне 730…740 нм, которым пропорционально преобразуется в двумерное изображение в фотоэлектронах. Фотоэлектроны двумерного изображения ускоряются полем, их энергия и число пропорционально преобразуются МКП пластиной (4) во вторичные электроны, затем вторичные электроны картины изображения ускоряются полем в каналах МКП, испытывая вторичные умножения их числа выходят из каналов МКП, ускоряются и направляются на КЛЭ (5), преобразующий усиленную картину изображений во вторичных электронах в оптическое изображение в видимой части диапазона, выводимое из ВУФ ЭОП через (6) ВОП (спектральный диапазон выходного изображения соответствует спектру катодолюминесценции вещества КЛЭ).
2
В заявляемой конструкции появляется возможность вместо ВУФ фотокатодов на основе алмаза, либо KBr, или TeCs, имеющих малую квантовую эффективность в ВУФ диапазоне (7…12%), использовать фотокатоды чувствительные в диапазоне 730-740 нм с квантовая эффективность большей в ~ 5 раз (~ 50…60%, например, для указанной спектральной области ФК на основе высокочистого арсенида галлия).
19
Учитывая, что ожидаемая квантовая эффективность прямого оптического преобразования ВУФ картины изображений в изображение на длине волны 738 нм пластиной синтетического алмаза при концентрации SiV центров на уровне 5×10 достигает ~ 10…15%, а замена алмазного ВУФ ФК с квантовой эффективностью ~ 10…15% на GaAs ФК с квантовой эффективностью в 50%, то в заявляемом устройстве с учетом последующего усиления в МКП (до 1000…10000 раз) удается сохранить коэффициент преобразования и пороговую чувствительность свойственные прототипу, уменьшив при этом, более чем в пять раз, физические ограничения на минимальные размеры регистрируемых изображений объектов наноразмерной либо субмикронной шкалы (вплоть до 80…90 нм).
2
2
2
3
7
2
4
o
ф
Так как минимальные размеры визуализируемых заявляемым приемником объектов составляют величину ~ 90 нм, а размеры кристаллов вещества КЛЭ и ячеек матричных фотоприемников (пикселов ПЗС, например), составляют ~ Δ≈1 мкм то, перед вводом изображения во входное окно ВУФ ЭОП, необходимо обеспечить проекционной системой его увеличение (например, в режиме "на отражение") в  Заметим, используем условие что минимальное разрешение микроструктуры объекта (в 1 пиксел), реализуемое увеличение должно обеспечивать проекцию 1 пиксела объекта на фотоприемную площадь ПЗС размером как минимум в 3×3 пиксела, т.е. в (3⋅Δ) мкм. Так как, объект площадью в S=80×80 нм с указанным увеличением (30×50 раз) проецируется на приемную площадь в S ≈ 3×3 мкм ≈ 8×10 нм (массив в 3×3 пиксела), то для компенсации потери в освещенности необходимо обеспечить непосредственно в ВУФ ЭОП (в МКП) усиление по свету в ~ 10 раз. Это позволяют выполнять современные МКП.
-4
2
-11
0,5
Таким образом, требования по освещенности и пространственному разрешению в рамках возможностей существующих базовых конструкций МКП и люминофоров для ЭОП реализуются, с диапазоном по входной освещенности в ~ 5×10…10 люкс, с пороговой чувствительностью не хуже (1…3)×10 Вт/(Гц), при спектральной чувствительности в 30…40 мА/Вт.
Заявляемое устройство может быть эффективно использовано в вирусологии (например, наблюдения ближнепольных изображений при мониторинге образцов тканей, крови слизи на предмет обнаружения короновирусов, - их линейные размеры 120…200 нм, либо при регистрации картин спинодальных распадов твердых растворов).
При регистрации заявляемым устройством (ВУФ ЭОП с активным входным окном) вдали расположенных объектов, излучающих либо отражающих в спектральном диапазоне 40…270 нм, в условиях наличия фонового излучения (при дневном освещении, либо фоновом освещении в рассеянном свете ночного неба) следует использовать ВУФ ЭОП в комплексе с нелинейным полосовым фильтром, расположенным на входе ВУФ ЭОП, и подавляющим излучения фонового (видимого и ИК) диапазонов.
-4
Аналоговое изображение объектов выводимое из ВУФ ЭОП через ВОП может регистрироваться визуально, либо аналоговая информация может быть преобразована в цифровую, посредством использования дополнительного (расположенного на выходе ВОП) каскада регистрации в виде ПЗС фотоприемника (например, цифрового ЭОП) с диапазоном пороговой чувствительности не хуже ~ 0,05…0,1 люкс, что при стандартных коэффициентах умножения потоков электронов МКП в 1000…10000 раз позволит и в цифровом варианте детектировать сигналы с освещенностью, начиная с 5×10 люкс. Однако следует при этом ожидать увеличения потребляемой устройством мощности до ~ 0,1 Вт.
Источники информации
[1]. Артюков И. Детекторы ультрафиолетового излучения. //Фотоника, выпуск 5/2008, с. 33.
[2]. V.A. Bespalov, V.M. Glazov, Е.А. l'ichev, et. al. «Desing and Invetigation of UV Image Detectors». // TECHNICAL PHYSICS Volume: 60 Issue: 4 Pages: 553-560 DOI: 10.1134/S1063784215040076 Published: APR 2015.
[3]. Johnson C.B. Review of ultraviolet detector technology. - Proc. SPIE, 1990, v. 1243, p. 2 [4]. Патент РФ. RU 2593648 C1. Комбинированный электронно-оптический преобразователь. Приоритет от 06.07.2015. Опубликован 10.08.2016 (бюллетень №22).