ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ДЛЯ УФ ДИАПАЗОНА
UV RANGE PHOTOMULTIPLIER TUBE

Изобретение выполняет функцию фотоэлектронного умножителя, чувствительного в УФ-диапазоне, то есть устройства, предназначенного для пропорционального преобразования электромагнитного излучения УФ-области оптического диапазона в электрический сигнал. Актуальность изобретения обусловлена резко выросшим интересом к высокочувствительным и эффективным детекторам ультрафиолетового излучения, и оно может быть использовано для решения ряда задач промышленного, медицинского, экологического и охранного характера массового назначения [1, 2].
9
-2
12
-3
Фотоэлектронные умножители в зависимости от спектральных характеристик используемого фотокатода различаются по типу их применения, который определяется спектральным диапазоном регистрируемого излучения. В УФ-диапазоне обычно выделяют три поддиапазона: длинноволновый, или UV-A (λ=320-400 нм); средневолновый, или UV-B (λ=280-320 нм); коротковолновый, или UV-C (λ=120-280 нм). Регистрация излучений поддиапазонов UV-A (λ=320-400 нм) и UV-B (λ=280-320 нм) возможна твердотельными широкозонными полупроводниковыми фотоприемными устройствами резистивной либо p-n переходной конструкций, работающими на эффекте собственного поглощения (например, на основе нитрида галлия либо алмаза, с шириной запрещенной зоны большей 4…5 эВ), либо лавинными фотоприемниками на основе мультислойных структур из традиционных материалов (например, на основе кремния), но с приемным слоем наноразмерной толщины и экстремально высокого качества, включая качество поверхности. В частности, высокочистый кремний с термическим образом пассивируемой двуоксидом кремния поверхностью, с плотностью состояний на границе раздела не более 10 см, с уровнем загрязненности фоновой примесью, не превышающим 10 см, пригоден для конструирования фотоприемников УФ-диапазона, вплоть до границы в ~0,2 мкм [3]. Однако, столь высокие требования к материалу доступны считанному числу производителей, а технология его получения крайне затратная. Что же касается эффективности использования для регистрации УФ-квантов приемниками на основе широкозонных материалов с соответствующей шириной запрещенной зоны, то и здесь существуют свои физические и технологические проблемы. Основной из них является высокая дефектность широкозонных материалов, их загрязненность фоновой примесью, резко снижающая пороговую чувствительность и квантовую эффективность устройства в целом. В настоящее время существуют фоторезистивные и p-n переходные полупроводниковые УФ-приемники излучений, чувствительные в указанной области спектра, выполненные на базе поликристаллических алмазных пленок [4]. Их токовая чувствительность достигает ~ 40 мА/Вт, темновой ток ~ 0,1-1 нА, а спектральный диапазон чувствительности 0,19-0,27 мкм при квантовой эффективности ~ 12%. Однако структурное совершенство поликристаллического материала низкое, а степень загрязненности неконтролируемой фоновой примесью высока. Все это ограничивает быстродействие и динамический диапазон по входному сигналу у твердотельных полупроводниковых широкозонных приемников излучений.
Известны вакуумные УФ-фотоприемники с архитектурой ФЭУ [5]. Приемники этой архитектуры имеют наиболее высокую фоточувствительность и наименьшие токи утечки. В частности, ФЭУ с многощелочными наноразмерной толщины фотокатодами, содержащими цезий и сурьму, высокочувствительны в диапазоне свыше 500 нм, при оптимальных толщинах слоев сурьмы (~20-30 нм), диапазон их максимальной токовой чувствительности достигает 60 мА/Вт, при квантовом выходе ~ в 15-20% [6]. Существуют также и опытные разработки «солнечно-слепых» ФЭУ, чувствительных в спектральном диапазоне 120-360 нм, с теллур-цезиевыми фотокатодами [7]; однако квантовый выход в них достигает лишь 8-9%, а токовая чувствительность (в максимуме, 240-250 нм) ~15 мА/Вт.
В настоящем изобретении в качестве прототипа предлагается использовать ФЭУ с алмазным фотокатодам [8]. Он представляют собою вакуумный приемник излучений с архитектурой ФЭУ с алмазным фотокатодом и динодами конструкции circular-cage в количестве 9 штук. Спектральный диапазон их работы составляет 0,120-0,230 мкм, токовая чувствительность (фоточувствительность) ~50 мА/Вт, темновой ток 1-5 нА, быстродействие -22 нс.
Задачей изобретения является расширение в длинноволновую область (до 450 нм) диапазона спектральной чувствительности к электромагнитному излучению стабильного «солнечно слепого» ФЭУ, повышение его токовой чувствительности и квантовой эффективности.
Это реализуется в конструкции фотоэлектронного умножителя, представляющего собой гибридную сборку многоэлементного устройства в составе входного оптического окна, алмазного фотокатода, динодов и анода, отличающегося тем, что пленка многощелочного фотокатода наноразмерной толщины расположена на выходной поверхности входного оптического окна, поверхность алмазного фотокатода нано(микро)структурирована и слабо легирована акцепторами, поверхность динодов нано(микро)структурирована и покрыта алмазной пленкой, слабо легированной акцепторами.
2
Таким образом, предлагаемый ФЭУ представляет гибридную вакуумную сборку из следующих базовых элементов: входное оптическое окно для излучения диапазона прозрачности 0,12-0,45 мкм (например, окна из MgF); пленка многощелочного фотокатода толщиною ~20-30 нм (для излучения указанного диапазона прозрачность на уровне 60-70%), осажденная в качестве источника ионов щелочного металла на внутреннюю (выходную) поверхность входного оптического окна; фотокатод на основе нано- и микроструктурированной поликристаллической алмазной пленки, слабо легированной акцепторами; диноды на основе нано(микро)структурированных алмазных пленок и анод.
Положительный эффект от использования заявляемой конструкции ожидается в силу следующих обстоятельств:
- собственное эффективное поглощение излучения в пленке алмазного фотокатода соответствует спектральному диапазону 0,12-0,27 мкм;
- некоторым граням алмазных кристаллитов (например, 111) свойственно отрицательная энергия сродства, что существенно понизит барьер для выхода вторичных электронов (вплоть до уровня ~1 эВ, определяемого силами зеркального изображения);
- использование массивов из наноразмерных острий на поверхности фотокатода и на поверхностях динодов позволит существенно понизить рабочие напряжения и расширить спектральный диапазон;
- наличие фотокатода из наноразмерной толщины мультищелочной пленки цезия и сурьмы, либо оксида магния будет служить источником атомов цезия, потоки ионов которых, испускаемые в режиме «on line», адсорбируясь на поверхности алмазной пленки фотокатода и динодов, понизят работу выхода и с других граней алмазных кристаллитов, что приведет к существенному увеличению квантового выхода фотоэлектронов и расширит спектральный диапазон фоточувствительности в длинноволновую область;
- алмазные пленки стойки к дозовым радиационным нагрузкам ионизирующих излучений, а мультищелочные пленки наноразмерной толщины имеют ничтожно малое сечение взаимодействия с жестким ультрафиолетовым излучением, что обеспечит изделиям большой рабочий ресурс.
2
Для реализации предлагаемой конструкции УФ ФЭУ предлагается выполнить следующую совокупность технологических процедур: на подготовленную известными методами (отмывка в органических растворителях, например, в бензоле, и последующая обработка низкомощностными потоками плазмы кислород-аргон) плоскую либо нано(микро)структурированную поверхность твердотельной подложки нанести (например, методом центрифугирования) порошок из нанокристаллитов алмаза (предварительно сепарированный по размерам с использованием ультразвуковых методов); посредством PECVD метода вырастить на нано(микро)структурированной поверхности указанной подложки с нанесенными алмазными нанокристаллитами сплошную поликристаллическую алмазную пленку, слабо легированную бором, а для случая плоской поверхности подложки сформировать на поверхности нанесенной алмазной пленки массив из алмазных наноразмерных объектов с большим аспектным отношением (например, наноразмерных алмазных конусов); последнее может быть реализовано посредством совместного использования методов высокочастотного плазмохимического и ионного травлений поверхности алмазной пленки, предварительно покрытой массивами из наноразмерных массирующих областей с латеральными размерами 0,2-0,4 мкм; сформировать на тыльной стороне пластины оптического входного окна (например, оптического окна из MgF) пленку многощелочного фотокатода наноразмерной толщины, содержащую цезий и сурьму, либо оксид магния; аналогичным образом изготовить нано(микро)структурированные электроды динодов с покрытиями из алмазных пленок; изготовить электрод анода; с использованием стандартных методов осуществить вакуумную сборку перечисленных базовых элементов в высоковакуумированный корпус. Далее формируем гальванические связи к омическим контактам фотокатода, динодов и анода.
Таким образом, ФЭУ реализуется посредством вакуумной гибридной сборки в вакуумный корпус многоэлементного устройства в составе: входного оптического окна, мультищелочного фотокатода - источника цезия, осажденного на выходную (тыльную) поверхность входного оптического окна, фотокатода на основе алмазных пленок с нано(микро)структурированной поверхностью, динодов покрытых алмазными пленками с микро(нано)структурированной поверхностью, и анода.
Экспериментальная проверка реализации положительного эффекта (см. рис. 2) показала, что диапазон спектральной чувствительности предлагаемой системы составляет 190-450 нм, токовая чувствительность ~70 мА/Вт, квантовая эффективность ~25%. Детальные исследования показали, что снизу диапазон ограничен диапазоном прозрачности входного окна, а область чувствительности алмазных пленок снизу доходит до 120 нм.
Таким образом, в рамках заявляемой конструкции появляется возможность реализовать с высокой токовой чувствительностью УФ ФЭУ, эффективно работающий в расширенной спектральной области 0,12-0,45 мкм, что позволяет использовать обсуждаемый фотоприемник в системах оптической локации УФ-диапазона.
Источники информации
1. http://www.sensorica.ru/news3.shtml>
2. В. Зотов, Ε. Виноградова. Ультрафиолетовое излучение - это опасно. // Мир и безопасность. 2006. №4. С. 48-50.
3. (a). Korde R. et al. Stable, high quantum efficiency silicon photodiodes for vacuum-UV applications. - Proc. SPIE, 1988, v.932, p.153; (b). Talmi Y., Simpson R.W. Self-scanned photodiode array: a multichannel spectrometric detector. - Applied Optics, 1980, v. 19, p. 1401.
4. Marchywka M. et al. Ultraviolet photoresponse characteristics of diamond diodes. - Applied Optics, 1991, v.30, p.5010.
5. Ulmer M.P. Future detectors for space applications. - Proc. SPIE, 2006, v.6189, p.61890.
6. Image Intensifiers. Проспект фирмы PHOTONIS - DEP. 2006 г.
7. Image Intensifiers. Проспект фирмы HAMAMATSU. 2009 г.
8. http://www.hamamatsu.com/us/en/product/category/3100/300l/R 7639/index.html Image Intensifiers. Проспект фирмы HAMAMATSU. 2009 г. Photon is ous business.