ВХОДНОЕ ОКНО ДЛЯ ВАКУУМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ПРОКСИМИТИ ТИПА
INPUT OPENING FOR PROXIMITY TYPE VACUUM PHOTOELECTRONIC DEVICES

Входное окно предназначено для вакуумных фотоэлектронных приборов проксимити типа.
Известен класс фотоэлектронных приборов типа проксимити, предназначенных для регистрации оптических изображений, как правило, низкого уровня освещенности в различных спектральных диапазонах. Особенностью конструкции приборов типа проксимити (от англ. proximity - приближение) является малое расстояние между фотокатодом, преобразующим оптический сигнал в поток электронов, и экраном, формирующим изображение. Класс данных приборов включает электронно-оптические преобразователи для усиления яркости и фоточувствительные приборы для регистрации изображений в виде электрического сигнала. В первом случае экраном является люминесцентный слой на аноде, формирующий изображение в оптическом диапазоне, во втором случае экраном является электронно-чувствительная матрица ППЗ (прибор с переносом заряда), формирующая электрический сигнал.
Так, например, известен патент US №6281572 от 28.08.2001 (патентообладатель Chatles Stark Draper Lab., Inc., Cambridge (US)), в котором описан фотоэлектронный прибор типа проксимити. Прибор имеет входное окно с фотокатодом (на рисунке обозначено как «катод»), выполненное в виде сплошной пластины трапециевидной формы, приближенной дном к аноду с матрицей формирования изображения. Данное входное окно выбрано в качестве прототипа.
Недостаток данного технического решения заключается в невозможности получения большого коэффициента усиления за счет приложения значительной разности потенциалов между фотокатодом и основанием матрицы в связи с малым расстоянием между контактными выводами фотокатода и анода.
Другой недостаток заключается в технической сложности и дороговизне создания такого входного окна для фотокатодов на основе гетероэпитаксиальных структур (AlGaN), перспективных для регистрации изображений в УФ-диапазоне спектра.
Фотокатод представляет собой слой фоточувствительного материала, нанесенного на прозрачную подложку. Тонкие полупрозрачные пленки фоточувствительного материала освещаются со стороны подложки. Основным критерием выбора подложки является требование соответствия кристаллических решеток материалов подложки и выращиваемого слоя, а также их термических коэффициентов линейного расширения. Другим критерием является требование химической и термической стабильности подложки к среде эпитаксиального роста при температуре эпитаксии.
В связи с этим на сегодняшний день наиболее перспективным для производства фотокатодов на основе гетероэпитаксиальных структур является использование сапфировых подложек.
2
3
Сапфировые подложки-пластины, изготовленные из кристалла синтетического сапфира AlO. Сапфировые подложки удовлетворяют высоким требованиям, предъявляемым к подложкам данного типа, а именно:
- широкий спектр пропускания в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и СВЧ-диапазонах;
- твердость, прочность и, соответственно, длительный срок службы;
- устойчивость к высоким температурам и агрессивным средам;
- высокая чистота кристаллической решетки;
- высокая удельная теплопроводность.
Однако из-за значительной твердости сапфира на сегодняшний день технически сложно выполнить входное окно произвольной формы из данного вида материала. Если же прикреплять фотокатод на сапфировой подложке ко входному окну, то благодаря этому, во-первых, увеличивается толщина слоя светопрозрачного материала и число светоотражающих поверхностей. При прохождении излучения сквозь толщу входного окна из-за неизбежных внутренних дефектов материала возникают эффекты преломления и рассеивания света, при этом снижается качество и интенсивность входного сигнала. Эти эффекты становятся существенными при регистрации изображений низкого уровня освещенности. Во-вторых, в процессе соединения сапфировой подложки с входным окном возникают дополнительные технологические сложности.
Задача, решаемая в данном изобретении, состоит в создании конструкции входного окна для вакуумных фотоэлектронных приборов типа проксимити. Технический результат заключается в упрощении технологии изготовления входного окна, в том числе для фотокатодов на основе гетероэпитаксиальных структур, а также в обеспечении значительного коэффициента усиления фотоэлектронных приборов типа проксимити при увеличении их электрической прочности и повышении пробивного напряжения.
Это достигается за счет того, что входное окно для вакуумных фотоэлектронных приборов типа проксимити выполнено чашеобразной формы, составным, включающим боковую часть конусообразной формы, имеющую ступенчатый выступ со стороны меньшего диаметра, и плоское дно, имеющее ступенчатый выступ вдоль края, соединенные посредством примыкания соответствующих ступенчатых выступов друг к другу, причем соединение зафиксировано индиевым уплотнением.
На фигуре 1 изображена в разрезе конструкция входного окна для вакуумных фотоэлектронных приборов проксимити типа.
Входное окно выполнено чашеобразной формы, составным, включающим боковую часть конусообразной формы 1, имеющую ступенчатый выступ 2, образованный со стороны меньшего диаметра, и плоское дно 3, имеющее ступенчатый выступ 4, расположенный вдоль края. Боковая часть 1 и дно 3 соединены посредством примыкания соответствующих ступенчатых выступов 2 и 4 друг к другу, как показано на фигуре 1. При таком соединении плоское дно 3 входного окна в вакуумном приборе будет прижато атмосферным давлением к ступенчатому выступу 2.
Для производства боковой части 1 и дна 3 могут использоваться материалы, разнородные по коэффициенту термического расширения. При вакуумировании прибора для его обезгаживания входное окно неизбежно нагревается, при этом составные части входного окна термически расширяются. Чтобы элементы входного окна не деформировались и не треснули, оставляют технологический зазор 5 между ступенчатыми выступами 2 и 4.
Соединение боковой части 1 и плоского дна 3 вакуумно-плотно зафиксировано индиевым уплотнением 6, расположенным между боковой частью 1 и торцом ступенчатого выступа 4. Индий (In) используется как соединительный материал, т.к. обладает высокой адгезией ко многим материалам, и с его помощью возможно вакуумно-плотно соединить совершенно разнородные материалы, например металл и стекло. Также индий является мягким металлом, и при нагревании конструкции индиевое уплотнение не деформирует элементы, которые соединяет. Электрод 7 образует электрический контакт между фотокатодом 8 и электродом, обеспечивающим соединение фотокатода с электрическими выводами прибора (не показаны). Электрод 7 выполнен напылением проводящего материала, например хрома, на торец дна 3, как показано на фигуре.
На фигуре 2 показан другой вариант выполнения составного входного окна. Боковая часть 1 имеет со стороны меньшего диаметра ступенчатый выступ 2а, выполненный в виде двух ступенек, как показано на фигуре. Между ступенчатыми выступами 2а и 4 оставляют технологический зазор 5а аналогично варианту, проиллюстрированному на фигуре 1. В данном варианте индиевое уплотнение 6а наносится сверху на место примыкания ступенчатых выступов 2а и 4 друг к другу, т.о. при вакуумировании прибора индиевое уплотнение 6а может частично заполнить технологический зазор 5, но не просочится сквозь него внутрь прибора.
Благодаря тому, что входное окно выполнено составным, боковая часть 1 и дно 3 могут быть выполнены из различных разнородных материалов. Боковая часть может быть, например, металлической. Благодаря этому устраняется необходимость напыления на нее проводящего электрода, соединяющего фотокатод с внешними электрическими выводами (не показано), т.к. в данном случае боковая часть сама становится проводником. Это существенно упрощает технологию изготовления входного окна. Плоское дно 3 может быть выполнено, например, из сапфира. Т.о. такая конструкция входного окна становится удобной для использования фотокатодов на основе гетероэпитаксиальных структур.
Благодаря тому, что входное окно выполнено чашеобразной формы, обеспечивается возможность приближения фотокатода 8 к аноду прибора (не показан). При этом возможно приложение значительной разности потенциалов между фотокатодом и анодом за счет разнесения внешних электрических выводов (контактных колец) фотокатода и анода на большое расстояние. Благодаря этому достигается значительный коэффициент усиления прибора.
Т.о., благодаря данному изобретению достигается значительный коэффициент усиления фотоэлектронных приборов типа проксимити за счет увеличения электрической прочности и повышения пробивного напряжения прибора, а также существенно упрощается технология изготовления входного окна, в том числе для фотокатодов на основе гетероэпитаксиальных структур.