ОДНОКАНАЛЬНЫЙ ДВУХСПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ, ИЗЛУЧАЮЩИХ В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМ ДИАПАЗОНЕ
SINGLE-CHANNEL DUAL-SPECTRAL IMAGE DETECTOR OF OBJECTS EMITTING IN THE ULTRAVIOLET RANGE

Данное изобретение относится к устройствам вакуумной эмиссионной оптоэлектроники. Оно предназначено для регистрации изображений объектов, излучающих в солнечно-слепом УФ спектральном диапазоне 150…260 нм, в привязке к изображению местности их расположения.
Области эффективных применений заявляемого устройства широки, а используемые подходы к их реализациям в настоящее время разнообразны. В числе областей наиболее значимых применений следует выделить: мониторинг ионосферы приполярных областей Земли; мониторинг технического состояния оборудования атомных станций и производств, связанных с переработкой ядерных отходов; бесконтактный удаленный мониторинг технического состояния изолирующих подвесок высоковольтных линий электропередач и оборудования высоковольтных подстанций; бесконтактный мониторинг промывочных вод, при поисковом бурении нефтяных скважин; бесконтактный удаленный мониторинг магистральных трубопроводов на предмет раннего обнаружения их повреждений, и утечек нефтепродуктов; и др…
Близкой по конструкции к заявляемому приемнику изображений УФ объектов является конструкция эмиссионного приемника ночного видения архитектуры электронно-оптического преобразователя (ЭОП) [1]. Такие приемники архитектуры ЭОП регистрируют объекты в отраженных излучениях ночного неба, а их спектральная область чувствительности находится в диапазоне 0,8…1,1 мкм, что не соответствует спектральному диапазону чувствительности нами здесь заявляемого приемника изображений УФ объектов (150…260 нм).
Близкими по функциональному назначению и конструкции к заявляемому приемнику являются приемники ультрафиолетовых изображений ЭОП архитектуры с фотокатодом на основе теллура активированного цезием [2] и фотокатода на основе твердого раствора GaN-AIN, предложенные авторами [3, 4].
Приемник УФ изображений авторов [2] состоит из: вакуумно-плотного металлокерамического корпуса; кварцевого входного окна, прозрачного в области излучений с длинами волн большими 150 нм (например, 150…1200 нм); фотокатод, расположенный на внутренней поверхности входного окна, выполненный на основе теллура поверхность которого покрыта слоем цезия атомарной толщины; микроканальный усилитель (МКП, микроканальная пластина) потока фотоэлектронов; элемент преобразования двумерного изображения в потоках электронов в оптическое изображение в квантах излучения видимого диапазона (КЛЭ, катодолюминесцентный экран). Способность регистрации изображений объектов, излучающих в солнечно-слепом УФ диапазоне приемником предложенном в [2] реализуется благодаря использованному авторами фотокатоду с сенсором на основе теллура, легированного магнием (акцептором) и активированного к процессам фотоэмиссии атомарной толщины слоем цезия. Приемник изображений [2] демонстрирует приемлемые оптические характеристики (спектральный диапазон чувствительности 115-360 нм, токовую чувствительность - 20 мА/Вт при 250 нм). К его недостаткам следует отнести: ядовитость исходных материалов и неэкологичность производственных технологий; неоднородность светимости экрана из-за плохого контроля распределения атомов магния в плоскости пленки; нестабильность характеристик изделий из-за неудовлетворительной адгезии атомов цезия к соединениям теллура (под действием УФ излучения флуктуирует концентрация цезия на поверхности сенсора, в результате - флуктуация чувствительности приемника в рабочем режиме). Кроме того, обсуждаемый приемник регистрирует только УФ объект, но не регистрирует окружающую его местность. Поэтому, для привязки УФ объекта к местности расположения необходимо дополнительно к УФ каналу создавать канал чувствительный к ИК, либо к видимого (ВД) диапазону. При этом, необходимо оснащать двухканальное устройство общей для обоих каналов механикой, но с индивидуальной входной оптикой и ее подстройками, а также оптико-механической, либо электронной системой точного совмещения изображений, полученных по обоим каналам. Все это выливается в дополнительные затраты на энергетику, растет вес и увеличиваются габариты устройства, ухудшается его надежность и увеличивается стоимость.
1-x
x
Функционально близкой и близкой по конструкции к заявляемому нами приемнику изображений ультрафиолетовых объектов, является конструкция предложена авторами [3, 4]. Предлагаемый ими приемник ЭОП архитектуры, регистрирующий объекты излучающие в УФ диапазоне, включает: спектрозональные интерференционные фильтры; вакуумно-плотный металлокерамический корпус; входное окно прозрачное в ультрафиолетовой области; источник фотоэлектронов, представляющий собой фотокатод чувствительный в УФ диапазоне, расположенный на внутренней стороне входного окна, и выполненный на основе нитрида галлия либо твердого раствора нитрида галлия-нитрида алюминия (Ga Al N), легированных магнием, с поверхностью активированной наноразмерным слоем атомов цезия; микроканальную пластину (МКП, усилитель потока электронов); устройство преобразования двумерного изображения в потоках электронов в оптическое изображение в квантах излучения видимого диапазона (КЛЭ, катодолюминесцентный экран).
1-x
x
Инновационным в этом предложении (конструкции) является фотокатод на основе твердых растворов нитрида галлия - нитрида алюминия, с поверхностью активированной к процессам фотоэмиссии электронов посредством цезиевого покрытия нанометровой толщины. К преимуществам такого фотокатода следует отнести его стабильность и стойкость к воздействиям УФ излучений. Что касается приемника с таким фотокатодом, то его значимым недостатком является тот, что спектральная область чувствительности Ga Al N фотокатода не является УФ солнечно-слепой (он чувствует излучения объектов вплоть до видимого синего излучения, в 450 нм). Это вынуждает пользователей использовать спектрозональные интерференционные фильтры (ими отсекают излучения с длинами волн большими 350 нм). Использование таких фильтров приводит [5] к значимым температурным нестабильностям спектральных характеристик прибора, и значительно удорожает конструкцию (стоимость такого фильтра, далеко не самого лучшего качества, составляет 1500…2000 долларов). В современной России упомянутые мультислойные интерференционные фильтры не выпускаются. И, наконец, обсуждаемый приемник изображений [3, 4] регистрирует только УФ объект, а для регистрации расположения УФ объекта на местности необходимо устройство дополнять ИК либо ВД каналом, со всеми (вышеуказанными) дополнительными изменениями и потерями. Использование 2-х канальной системы требует использования двух независимых оптико-механических систем, с последующей необходимости осуществления аппаратного либо программного совмещения изображений УФ объекта и ИК изображение окружающей объект местности. Т.е. возрастает и стоимость изделия (она составит ~1…2 млн. рублей) и масса-габариты системы.
Наиболее близким (прототип) по конструкции и функциональному назначению к заявляемому приемнику изображений является УФ приемник изображений ЭОП архитектуры авторов [6], чувствительный в ультрафиолетовом солнечно-слепом спектральном диапазоне 180…260 нм.
2
В настоящее время такие приемники изображений уже реализованы [6-10]. Они содержат: вакуумно-плотный металлокерамический корпус; входное окно на основе кварца, либо MgF; фотокатод, выполненный на основе поликристаллической алмазной пленки, выращенной на тыльной стороне (пьедестале) входного окна, и легированной в процессе роста бором (спектральная чувствительность указанного алмазного сенсора 20…260 нм); МКП и КЛЭ. К преимуществам предложенного в [6] приемника изображений следует отнести его приемлемые спектральные и пороговые характеристики (чувствителен только в солнечно-слепой части УФ диапазона, а значит нет необходимости в использования спектрозональных фильтров; квантовая эффективность достигает 30%; токовая чувствительность ~40-50 мА/Вт); стабильность и стойкость к воздействиям значительных импульсных оптических (в том числе УФ) и рентгеновских излучений. К значимому недостатку предложенного авторами [6] приемника изображений ЭОП архитектуры следует отнести отсутствие возможности привязки регистрируемых изображений УФ объектов к местности их расположения.
Итак, наиболее принципиальным из недостатков всех вышеперечисленных одноканальных эмиссионных изделий [2-6] является отсутствие возможности эффективно осуществить привязку изображений, регистрируемых УФ объектов, к местности их расположения.
Задачей настоящего изобретения является реализация эффективного одноканального эмиссионного приемника изображений объектов, излучающих в УФ солнечно-слепом диапазоне 180-260 нм, в привязке к изображению местности их расположения.
3
4
Для этого, реализуют конструкцию электронно-оптического преобразователя (прототип, [6]), содержащую вакуумно-плотный корпус, входное окно, фотокатод выполненный из поликристаллической алмазной пленки легированной бором, расположенный на торцевой поверхности входного окна, микроканальную пластину, катодолюминесцентный экран и волоконно-оптическое стекло, отличающуюся тем, что в систему в систему дополнительно включен фотокатод на основе германия со сквозными отверстиями, поверхность которого располагается в фокальной плоскости инфракрасных изображений местности, формируемой общей оптической системой, при этом фотокатод на основе германия расположен либо на поверхности микроканальной пластины, верхний электрод которой в этом случае покрыт диэлектриком SiO/SiN со сквозными отверстиями, соосными отверстиям германиевого фотокатода и микроканальной пластины, либо на оксидированной поверхности дополнительно введенной кремниевой мембраны с общими соосно и периодически расположенными сквозными отверстиями.
Таким образом, в предлагаемом нами устройстве, работающем в режиме «на прострел», последовательно интегрируется следующая совокупность физических эффектов и процессов:
2
2
- процесса формирования на поверхностях упомянутых германиевом и алмазном фотокатодов изображений местности в ближнем ИК диапазоне (в отраженном свете ночного неба, 0,8-1,55 мкм) и УФ объекта (излучающего в спектральном диапазоне 150-260 нм), соответственно, осуществляемого общим оптическим трактом («линзами» на основе CaF, либо MgF), с разнесением соответствующих фокальных плоскостей изображений указанных спектральных диапазонов на практически удобные расстояния (возможность разнесения фокальных плоскостей реализуется благодаря дисперсии показателя преломления вещества линз для излучений упомянутых спектральных диапазонов);
- процесса преобразования оптических изображений ближнего ИК (0,8…1,55 мкм) и УФ (150-260 нм) диапазонов в изображения в потоках фотоэлектронов;
- процесса аппаратного интегрирования и последующего считывания потоков фотоэлектронов, эмитируемых алмазным фотокатодом (несущим информацию об объекте) и германиевым фотокатодом (несущим информацию об окружающей местности);
- процесса умножения (усиления) общего потока электронов, несущего информацию об объекте и окружающей местности;
- процесса обратного преобразования двумерного изображения местности и объекта в потоках электронов, в двумерное оптическое изображение объекта на местности.
В результате аппаратного интегрирования в одном одноканальном двухспектральном устройстве (приемнике изображений) перечисленных физических эффектов, с использованием общей входной оптики, реализуется возможность регистрации и распознавания покоящихся либо перемещающихся УФ объектов в привязке к окружающей эти объекты местности.
2
2
2
В качестве материала входного объектива и входного окна можно использовать CaF, MgF, либо BaF, а в качестве ИК фотокатода - фотокатод из высокочистого германия, с поверхностью, активированной к процессам выхода фотоэлектронов в вакуум.
Таким образом, реализуется вакуумный эмиссионный приемник изображений, выполненный в архитектуре одноканальной двухспектральной конструкции, с общей входной оптикой, который позволяет регистрировать объекты, излучающие в солнечно-слепом УФ диапазоне в привязке к окружающей УФ объекты местности.
На фиг. 1 изображено (в продольном сечении) заявляемое устройство, где:
2
2
2
1 - входной объектив (на основе CaF, BaF, либо MgF);
2 - вакуумно-плотный корпус (металлокерамика);
2
2
2
3 - входное окно (на основе CaF, BaF, либо MgF);
4 - фотокатод на основе поликисталлической алмазной пленки (С*) легированной бором;
5 - фотокатод на основе высокочистого германия (Ge);
6 - микроканальная пластина (МКП);
7 - катодолюминесцентный экран (КЛЭ);
8 - волоконно-оптическая пластина (ВОП);
9 - потоки информационных излучений (0,80…1,55 мкм) о местности, окружающей УФ объект;
10 - потоки информационных излучений УФ объекта.
11 - кремниевая мембрана с периодически расположенными сквозными отверстиями
На фиг. 2 изображен (в продольном сечении) вариант заявляемого устройства, где:
2
2
2
1 - входной объектив (на основе CaF, BaF, либо MgF);
2 - вакуумно-плотный корпус (металлокерамика);
2
2
2
3 - входное окно (на основе CaF, BaF, либо MgF);
4 - фотокатод на основе поликисталлической алмазной пленки (С*) легированной бором;
5 - фотокатод на основе высокочистого германия (Ge);
6 - микроканальная пластина (МКП);
7 - катодолюминесцентный экран (КЛЭ);
8 - волоконно-оптическая пластина (ВОП);
9 - потоки информационных излучений (0,80…1,55 мкм) о местности, окружающей УФ объект;
10 - потоки информационных излучений УФ объекта.
Заметим, использование варианта конструкции (устройств без кремниевой мембраны) позволяет удешевить приемник изображений, на каждом изделии экономиться по два металлических и три керамических кольца сборного металл-керамического вакуумно-плотного корпуса, и упростить технологический маршрут его сборки. Однако, как показало моделирование и численных расчеты основных характеристик изделий, при этом усложняется выбор оптимальных значений управляющих потенциалов, что приведет к возможному ухудшению контраста изображений.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
2
2
2
2
2
2
Изображение УФ объекта (излучающего в солнечно-слепом УФ диапазоне, 150-260 нм) и изображение его "холодного" окружения (местности, в отраженном излучении ночного неба, 0,80…1,55 мкм) проецируются посредством общей оптической системы (поз. 1, линзы из CaF, BaF, либо MgF, с разницей показателей преломления в диапазонах указанных длин волн в ~0,1-0,2, в зависимости от материала линз), через входное окно ЭОП (поз. 3) из CaF, BaF, либо MgF, соответственно, на алмазный (С*) поз. 4 и германиевый (Ge, поз. 5) фотокатоды. Излучение от местности в отраженном свете ночного неба (поз. 9) проецируется в плоскость расположения германиевого фотокатода (поз. 5), взаимодействует с ним, и вызывает модулированный в плоскости (пропорционально интенсивности картины) поток фотоэлектронов. В то же время, на алмазный фотокатод, проецируется поток, излучаемый УФ объектом (поз. 10), с которого, пропорционально изменяющейся в плоскости изображения интенсивности, формируется поток фотоэлектронов, несущих информацию о характере УФ излучения поверхностью объекта. Указанные потоки фотоэлектронов с поверхностей фотокатодов, несущих информацию об УФ объекте и об окружающей местности, аппаратно интегрируются в рабочем пространстве ЭОП, считываются через периодически расположенные отверстия в германиевом фотокатоде (поз. 5) и кремниевой мембраны (поз. 11) с оксидированной поверхностью, и проецируются на поверхность микроканальной пластины (МКП, поз. 6). Управляющими и считывающими электродами для варианта изображенного на фиг. 1 являются кремниевая мембрана (поз. 11) и верхний электрод МКП, а в случае отсутствия кремниевой мембраны (вариант конструкции на фиг. 2) - верхний электрод МКП. Поступающая через отверстия в каналы тела МКП суммарная картина интегрированных изображений в потоках фотоэлектронов, несущая информацию об окружающей местности и УФ объекте, усиливается в 1000…10000 раз (в зависимости от материала МКП и разности потенциалов приложенных к верхнему и нижнему ее электродам) за счет эффекта вторичной эмиссии электронов, затем проецируется на катодолюминесцентный экран (КЛЭ, поз. 7). Веществом КЛЭ, усиленная картина изображений в потоках вторичных электронов, пропорционально преобразуется в потоки излучений видимой части оптического диапазона, и выводится через волоконно-оптическую пластину (ВОП, поз. 8). Окончательный результат - получаем изображение УФ объекта на фоне изображения его окружающей местности (т.е. получаем изображение УФ солнечно-слепого объекта в привязке к изображению окружающей местности).
Заявляемая конструкция допускает возможность аналого-цифрового преобразования сигнала. Для этого, на ее основе, может быть реализована 2-х каскадная конструкция, включающая последовательно расположенные заявляемый одноканальный двухспектральный приемник изображений УФ объекта в привязке к местности, и матрицу ПЗС. Оптический контакт выходного окна (ВОП) обсуждаемого одноканального 2-х спектрального приемника изображений и входного окна ПЗС, можно осуществить через иммерсионную среду.
Таким образом, предлагаемая нами конструкция одноканального двухспектрального приемника изображений архитектуры ЭОП реализует возможность регистрации объектов, излучающих в УФ части солнечно слепого спектрального диапазона в привязке к изображению рельефа местности, окружающей этот УФ объект.
Источники информации
1. Бутусов М.М., Степанов Б.М., Фанченко С.Д. Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных исследованиях / Завойский Е.К.. - М.: Наука, 1978. - 431 с.
2. ООО "Баспик", Владикавказ. ЭОП "Карцит".
3. Uchiyama S. et al. GaN-based photocathodes with extremely high quantum efficiency. - Appl. Phys. Lett., 2005, v. 86, p. 103511.
4. Ulmer M.P. et al. Progress on development of UV photocathodes for photon-counting applications at NASA GSFC - Proc. SPIE, 2005, v. 5898, p. 103.
5. Ulmer M.P. Future detectors for space applications. - Proc. SPIE, 2006, v. 6189, p. 61890.
6. Беспалов В.А., Золотухин П.А., Теверовская E.Г., Ильичев Э.А., Чистякова Н.Ю., Куклев С.В., Соколов Д.С., Якушов С.С., Медведев А.В., Рычков Г.С., Петрухин Г.Н. Вакуумный эмиссионный приемник изображений ультрафиолетового диапазона // Патент №2738767, выдан 16.12.2020.
7. Е.А. V.A. Bespalov, V.A. Glazov, Е.А. Е.А. V.A. Bespalov, V.A. Glazov, E.A.l'ichev, Yu.A. Klimov, V. Kuklev, A.E. Kuleshov, R.M.Nabiev, G.N. Petrukhin, B.G. Potapov, D.S. Socolov, V.V. Fandeev, E.A. Fetisov, S.S. Yakushov. «Desing and Invetigation of UV Image Detectors». // TECHNICAL PHYSICS Volume: 60 Issue: 4 Pages: 553-560 DOI: 10.1134/S1063784215040076 Published: APR 2015.
8. B.A. Беспалов, Э.А. Ильичев, И.П. Казаков, Г.А. Кирпиленко, А.И. Козлитин, П.В. Минаков, В.В. Сарайкин, А.В. Клековкин, С.В. Куклев, Г.Н. Петрухин, Г.С. Рычков, Д.С. Соколов, Е.Г. Теверовская. Письма в журнал технической физики, 9, 3 (2021). DOI: PJTF.2021.09.50897.18480.
9. V.A. Bespalov, Е.A. Il'ichev, I.P. Kazakov, G.A. Kirpilenko, A.I. Kozlitin, P.V. Minakov, V.V. Saraikin, А.V. Klekovkin, S.V. Kuklev, G.N. Petrukhin, G.S. Rychkov, D.S. Sokolov, E.G. Teverovskaya. Diamond and related materials., 120, 108603 (2021). DOI: 10.1016/j.diamond.2021.108603.