ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
PHOTODETECTOR FOR MEASURING ENERGY PARAMETERS OF VACUUM ULTRAVIOLET RADIATION

Изобретение относится к области энергетической фотометрии (радиометрии) и может быть использовано при измерении мощности и энергии излучения оптических систем, работающих в вакуумной ультрафиолетовой области спектра (далее по тексту ВУФ-область, ВУФ-излучение и т.п.).
ВУФ-излучение в силу своих физических особенностей является одним из самых эффективных по своему воздействию на вещество по сравнению с любым другим диапазоном спектра электромагнитного излучения. Это уникальное свойство ВУФ-излучения ставит его вне конкуренции, например, в технике оптической фотолитографии [1], где малая длина волны (10-200 нм) воздействующего излучения позволяет преодолеть «нанобарьер» пространственного разрешения (менее 100 нм) при формировании фотолитографических масок в производстве современных интегральных схем.
Практически любое научное или технологическое применение ВУФ-излучения требует измерения его энергетических параметров - мощности (в непрерывном режиме излучения) или энергии (при импульсном воздействии). Однако, корректное измерение этих параметров в ВУФ-области спектра является достаточно сложной научно-технической задачей, не нашедшей до настоящего времени удовлетворительного решения.
О фундаментальных трудностях, возникающих здесь, говорит, например, тот факт, что до настоящего времени не предложено ни одного фотоприемного устройства для измерения энергетических параметров ВУФ-излучения, основанного на использовании широко распространенных фотоприемников с внешним фотоэффектом - фотоэлементов или фотоумножителей. Последнее обусловлено тем, что, несмотря на существование эффективных в ВУФ-области фотокатодов, до настоящего времени для изготовления колб и окон фотоприемников не найдены материалы, обладающие необходимой прозрачностью в спектральной области короче 100 нм и совместимые с современными технологиями электровакуумного производства. Трудности энергетических измерений многократно возрастают при фотометрировании источников стимулированного ВУФ-излучения высокой спектральной энергетической плотности, получивших в последнее время широкое распространение [2].
Таким образом, измерение энергетических параметров излучения в ВУФ-области спектра является достаточно сложной технической задачей, не нашедшей до настоящего времени удовлетворительного технического решения.
Так, в частности, известна методика теоретического расчета энергетических параметров излучения в ВУФ-области спектра [3]. Расчет основан на теоретических оценках, учитывающих фундаментальные константы излучающей среды - заселенность возбужденных состояний ее атомов, вероятность радиационных переходов атомов, а также геометрические и конструктивные размеры излучателя.
Недостаток теоретического расчета энергетических параметров ВУФ-излучения состоит в том, что каждая из перечисленных величин известна, как правило, с большой погрешностью (от десятков процентов до порядков величины), что не позволяет определить энергетические параметры излучения с приемлемой для практического применения точностью.
Известно также фотоприемное устройство (ФПУ) для измерения энергетических параметров ВУФ-излучения. В его состав (см.рис.1) входит фотометрический блок (ФБ) 4 и источник ВУФ-излучения 2, размещенные в вакуумированном объеме 1, регистрирующая система (PC) 5, на табло которой отображаются результаты измерений (мощность или энергия излучения), и источник питания (ИП) 6, размещенные вне вакуумированного объема 1.
Для передачи сигнала измерительной информации от фотометрического блока 4, размещенного в вакуумированном объеме 1, к регистрирующей системе 5, а также для подачи напряжения питания от источника 6 к фотометрическому блоку 4 служит вакуумный токоввод (ВТ) 7.
Чувствительным элементом фотометрического блока 4 описанного ФПУ служит полупроводниковый приемник излучения на основе внутреннего фотоэффекта - фотодиод. Спектральная чувствительность фотодиодов, в отличие от приемников с внешним фотоэффектом (фотоэлементов и фотоумножителей) не ограничена наличием колбы или входного окна и определяется только фотоэлектрическими свойствами используемой полупроводниковой структуры. Благодаря этому такие приемники обладают высокой чувствительностью в ВУФ-области спектра и имеют небольшие габариты, что позволяет легко встраивать их в вакуумные системы.
По технической сущности фотоприемное устройство для измерения энергетических параметров ВУФ-излучения, включающее фотометрический блок, чувствительным элементом которого служит полупроводниковый приемник излучения, является прототипом предлагаемого изобретения.
К недостаткам фотоприемного устройства-прототипа относятся:
1 - недостаточная оптическая прочность (низкий порог разрушения) материала приемной площадки полупроводникового приемника, особенно заметные при фотометрировании источников стимулированного [4] ВУФ-излучения. В связи с этим во избежание разрушения фотоприемника требуется применение ослабителей излучения, направляемого на его приемную площадку. Однако в настоящее время отсутствуют оптические материалы, пригодные для калиброванного ослабления ВУФ-излучения с надежно аттестованными в этой области фотометрическими параметрами - коэффициентами пропускания, поглощения, отражения.
Необходимость применения таких ослабителей существенно уменьшает точность измерения энергетических параметров ВУФ-излучения с помощью ФПУ с фотометрическим блоком, чувствительным элементом которого служит полупроводниковый приемник излучения.
2 - для обеспечения измерений в широком динамическом диапазоне изменений энергетических параметров излучения необходимо использование полупроводникового приемника в фотодиодном режиме включения. Реализация такого режима работы фотоприемника требует применения источника питания [5], что увеличивает габариты ФПУ и, кроме того, из-за наличия в составе ФПУ помимо канала передачи измерительной информации еще и электрической цепи питания фотоприемника, существенно ухудшается помехозащищенность ФПУ от воздействия электрических и магнитных полей (наводок), сопровождающих мощный газовый разряд ВУФ-излучателей.
Низкая помехозащищенность ФПУ с фотометрическим блоком, чувствительным элементом которого служит полупроводниковый приемник излучения, приводит к увеличению разброса показаний регистрирующей системы и, как следствие,  к увеличению случайной составляющей (среднеквадратического отклонения - СКО) погрешности измерений энергетических параметров излучения.
3 - значительные трудности (временные и аппаратурные) при градуировке ФПУ с полупроводниковым приемником ВУФ-излучения, т.к. в этой спектральной области отсутствуют образцовые источники излучения, аттестованные в абсолютных значениях энергетических параметров излучения (Вт, Дж), и приемники излучения, аттестованные в абсолютных значениях вольтовой или токовой чувствительности. Кроме того, градуировка полупроводниковых приемников излучения в ВУФ-области требует использования громоздкого и сложного в эксплуатации вакуумного оборудования ВУФ-излучателя, что сопряжено с большими временными затратами.
абсолютных значениях вольтовой или токовой чувствительности. Кроме того, градуировка полупроводниковых приемников излучения в ВУФ-области требует использования громоздкого и сложного в эксплуатации вакуумного оборудования ВУФ-излучателя, что сопряжено с большими временными затратами.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности ФПУ, предназначенных для измерения энергетических параметров ВУФ-излучения, уменьшение габаритов ФПУ, повышение его помехозащищенности от электромагнитных полей (наводок), упрощение методики градуировки ФПУ и сокращение трудоемкости и времени выполнения градуировки.
Поставленная цель достигается тем, что в фотоприемном устройстве для измерения энергетических параметров ВУФ-излучения, включающем фотометрический блок, размещенный в вакуумированном объеме, блок регистрирующей системы, размещенный вне вакуумированного объема и вакуумный токоввод, предназначенный для электрического соединения блоков ФПУ, чувствительный элемент фотометрического блока выполнен в виде полостного колориметрического приемника излучения, поглощающей нагрузкой которого служит замкнутая полость с отверстием для ввода излучения, изготовленная из металла с высокой теплопроводностью.
Устройство чувствительного элемента калориметрического приемника излучения фотометрического блока заявленного ФПУ представлено на рис.2, где 8 - фотометрируемое излучение, 9 - входное отверстие полости 10, 11 - металлическая масса, 12 - выводы термобатареи, 13 - «горячие» спаи термопар, 14 - «холодные» спаи термопар.
Поток фотометрируемого излучения 8, направляемый в фотометрический блок, через входное отверстие 9 поступает в замкнутую полость 10, которая служит поглощающей нагрузкой чувствительного элемента калориметрического приемника фотометрического блока ФПУ. Благодаря многократным отражениям внутри полости 10 электромагнитная энергия измеряемого излучения практически полностью преобразуется в тепловую энергию. Возникающий за счет этого нагрев полости 10 регистрируется батареей последовательно соединенных термопар, охватывающей наружную поверхность полости. «Горячие» спаи термопар 13 находятся в тепловом контакте с наружной поверхностью полости 10, а «холодные» 14 контактируют с металлической массой 11, обладающей высокой теплоемкостью. Электродвижущая сила (ЭДС), развиваемая термобатареей, пропорциональная мощности (энергии) измеряемого светового потока, через выводы 12 подается на токоввод 7 (см.рис.1) и поступает на вход регистрирующей системы (PC), на индикаторной панели которой отображаются результаты измерений.
Предложенное техническое решение обеспечивает следующие преимущества заявляемого устройства по сравнению с устройством-прототипом:
1. Существенно (на несколько порядков) более высокая, чем у приемной площадки полупроводникового фотоприемника устройства-прототипа, оптическая прочность (порог разрушения) материала чувствительного элемента (металла). Благодаря этому градуировка и применение заявленного устройства не требует калиброванных ослабителей для защиты чувствительного элемента ФПУ от оптического разрушения, а отсутствие необходимости в таких светофильтрах существенно повышает точность измерения энергетических параметров ВУФ-излучения заявленным устройством по сравнению с устройством-прототипом.
2. Используемый в заявленном устройстве полостной калориметрический приемник излучения в отличие от приемника излучения устройства-прототипа - полупроводникового фотодиода не требует для своего функционирования источника питания. Благодаря этому предложенное техническое решение позволяет уменьшить габариты ФПУ, а отсутствие цепи питания фотоприемника существенно увеличивает помехозащищенность ФПУ от воздействия электрических и магнитных полей.
3. Предложенный в заявленном устройстве полостной приемник излучения фотометрического блока ФПУ по сущности взаимодействия с принимаемьм излучением является классической моделью абсолютно черного тела. Благодаря такому техническому решению реализуется возможность построения фотоприемного устройства, мало селективного в широкой области спектра (в т.ч. и в ВУФ-области). Коэффициент поглощения излучения в приемнике излучения такого ФПУ в широкой спектральной области практически не зависит от длины волны воспринимаемого излучения, поэтому градуировка заявленного ФПУ может осуществляться в видимой области спектра, для которой широко представлены образцовые средства измерений энергетических параметров излучения, существуют аттестованные источники излучения и отработанные методики аттестации фотометрической аппаратуры (см. напр. ГОСТ 8.275-2007). Значение чувствительности заявленного ФПУ, измеренное при градуировке в видимой области спектра, благодаря неселективности ФПУ в широком спектральном интервале, можно без существенной погрешности распространить на спектральную область ВУФ-излучения. Вследствие этого аттестация заявленного ФПУ кардинально упрощается по сравнению с аттестацией прототипа.
Таким образом, заявленное техническое решение «Фотоприемное устройство для измерения энергетических параметров вакуумного ультрафиолетового излучения» обладает существенными преимуществами и новизной по отношению к устройству-прототипу.
При практической реализации заявленного устройства могут быть использваны следующие технические решения.
Поглощающая полость калориметрического приемника излучения может быть изготовлена в виде тела вращения (сферы, эллипсоида, конуса и т.п.) из металла, обладающего высокой теплопроводностью, например, меди, латуни, алюминия. Для изготовления термобатареи могут быть использованы последовательно соединенные термопары медь-константан.
Был испытан опытный образец фотоприемного устройства, изготовленный в соответствии с предлагаемым техническим решением. Поглощающей нагрузкой калориметрического приемника излучения фотометрического блока опытного образца ФПУ служила коническая полость, изготовленная из меди; диаметр входного отверстия полости равнялся 13 мм, длина - 42 мм. На наружной поверхности конуса размещались «горячие» спаи термобатареи, состоящей из 1800 медно-константановых термопар. «Холодные» спаи термопар соприкасались с внутренней конической расточкой в массивном алюминиевом цилиндре с наружным диаметром 40 мм и длиной 80 мм.
-3
2
В качестве регистрирующей системы изготовленного опытного образца ФПУ использовался комбинированный прибор Щ 300, диапазон измерений которого в режиме вольтметра, равный (10-10) В, позволял надежно регистрировать сигналы в цепи приемника излучения с относительной погрешностью не более ±2%.
Градуировка опытного образца ФПУ выполнялась в видимой области спектра на длине волны 633 нм на фотометрической установке, источником излучения которой служил стабилизированный по мощности излучения гелий-неоновый лазер марки ЛГИ-207Б. Мощность излучения лазера составляла ~1 мВт, флуктуации мощности за время измерений не превышали ±0,5%.
Измерения мощности потока излучения, направляемого при градуировке в фотометрический блок опытного образца заявленного ФПУ, проводились с помощью прибора марки LM-2 (производство фирмы COHERENT, США), относительная погрешность градуировки опытного образца заявленного ФПУ при доверительной вероятности р=0,95 оценивается значением 8=±10%. Продолжительность процесса градуировки опытного образца заявленного ФПУ составила всего 15 мин, тогда как градуировка ФПУ-прототипа с полупроводниковым фотоприемником на установке с источником ВУФ-излучения потребовала нескольких часов (вывод на рабочий режим вакуумных систем источника излучения, подготовка и тестирование высоковольтного оборудования цепи питания газового разряда и т.п.).
Испытания проградуированного опытного образца ФПУ проводились на установке, источником стимулированного ВУФ-излучения которой служил капиллярный разряд постоянного тока в смеси криптона и ксенона, заключенный в кварцевую трубку длиной 600 мм. Внутренний диаметр трубки составлял 1,5 мм, ток разряда через газовую смесь равнялся 20 мА, длина волны излучения - 147,0 нм.
Испытания состояли из двух циклов измерений мощности излучения капиллярного разряда. Первый цикл выполнялся с помощью ФПУ устройства-прототипа с полупроводниковым приемником излучения типа SXUV20 (производство фирмы IRD, США). Второй - с помощью опытного образца ФПУ, изготовленного в соответствии с предлагаемым техническим решением.
Каждый цикл измерений состоял из n=15 измерений; интервалы между отдельными измерениями равнялись 2,5 мин. В процессе испытаний тщательно контролировались и поддерживались неизменными состав и параметры газовой среды капилляра и электрические параметры капиллярного разряда - напряжение на электродах разрядного промежутка и ток разряда. Результаты испытаний приведены на рис.3, где по оси ординат отложены относительные значения р мощности излучения, измеренные испытанными ФПУ, рассчитанные как р=Pn/Pi, где Pi - значение мощности ВУФ-излучения, полученное при первом измерении, Рп - значения, полученные в каждом из последующих 14 измерений. На рис.3: 1 - изменение показаний опытного образца заявленного устройства, 2 - изменение показаний устройства-прототипа.
15 - изменение показаний опытного образца заявленного устройства, 16 - изменение показаний устройства-прототипа.
Из приведенного рисунка видно (см.кривую 15), что в серии измерений, выполненных опытным образцом заявленного устройства, отсутствует систематическое изменение показаний, а их разброс, оцениваемый значением СКО=±7%, имеет случайный характер. Следовательно, фотоприемное устройство, изготовленное в соответствии с заявленным техническим решением, обладает стабильной чувствительностью к оптическому излучению ВУФ-области, а фотометрический блок ФПУ, его регистрирующая система и цепь передачи измерительной информации не подвержены влиянию электромагнитных «наводок», сопровождающих работу излучателя.
С другой стороны, кривая 16 рис.3 убедительно указывает на неуклонное (до 20 раз к концу цикла) падение чувствительности устройства-прототипа с полупроводниковым приемником излучения. Чрезвычайно высокий разброс показаний (в этом случае значение СКО достигало±32%) указывает на сильную подверженность устройства-прототипа воздействию электромагнитных полей (наводок), сопровождающих работу ВУФ-излучателя. Это обстоятельство, а также отмеченное выше систематическое изменение чувствительности, делают невозможным построение ФПУ с полупроводниковым фотоприемником, имеющего достаточно высокую (погрешность в пределах ±(10-15)%) точность измерения энергетических параметров ВУФ-излучения, в то время, как заявленное устройство высокой точностью обладает.
Таким образом, результаты градуировки опытного образца заявленного ФПУ, а также результаты его экспериментальных испытаний совместно с устройством-прототипом показали, что по отношению к объекту-прототипу заявленное техническое решение «Фотоприемное устройство для измерения энергетических параметров вакуумного ультрафиолетового излучения» имеет существенные преимущества и новизну, заключающиеся в мехозащищенности от воздействия электромагнитных полей (наводок), сопровождающих работу фотометрируемых ВУФ-излучателей, в кардинальном упрощении методики градуировки ФПУ, уменьшении трудоемкости градуировки ФПУ и времени ее выполнения, а также в уменьшении габаритов устройства за счет отсутствия в нем источника питания чувствительного элемента фотометрического блока.
Литература
1. Вейко В.П., Ярчук М.В., Иванов А.И., Оптический журнал, т.78, №8, 2011, с.56-64.
2. Басов Н.Г., Данилычев В.А., Попов Ю.М., Хадкевич Д.Д. Письма в ЖЭТФ, т.102, 1970, с.473-474.
3. Фриш С.Э. «Оптические спектры атомов» // Москва - Ленинград, Гос.из-во физ.-мат-литературы, 1963, 640 с.
4. Герасимов Г.Н., Крылов Б.Е., Hallin R., Amesen А., Опт. и спектр., т.100, №6, 2006, с.904-909.
5. Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения / Под ред. А.Ф.Котюка. - М.: Радио и связь, 1981, 288 с.