ФОТОКАТОД ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Область техники
Полезная модель относится к электровакуумной технике, в частности к элементам конструкции фотоэлектронных приборов (ФЭП), содержащих фотокатод для преобразования светового излучения в электрический сигнал.
Уровень техники
При регистрации короткого импульсного оптического излучения широкое распространение получили вакуумные фотоэлектронные приборы, основными элементами, конструкции которых являются фотокатод, эмитирующий электроны под воздействием оптического излучения, и электронно-оптическая система (ЭОС), ускоряющая и фокусирующая фотоэлектроны, покидающие фотокатод, на принимающий их элемент ЭОС. Приемным элементом в случае фотоэлемента служит анод, в случае фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) - первый эмиттер умножительной системы с дискретными динодами или входная поверхность микроканальной пластины (МКП), в случае электронно-оптического преобразователя (ЭОП) - люминесцентный экран или МКП, или электронно-чувствительная матрица прибора.
-4
-9
-13
3
5
7
В настоящее время, для исследований быстропротекающих процессов, наряду с ФЭУ, способными регистрировать импульсы длительностью от 10 до 10 с, находят широкое применение хронографические ЭОП, которые позволяют расширить этот диапазон до 10 с. Чтобы создать уровень выходного сигнала, достаточный для уверенной регистрации таких коротких процессов, с фотокатода ЭОП необходимо отбирать фототок плотностью до единиц ампер с квадратного сантиметра поверхности фотокатод. К тому же, с учетом накладываемого на приборы требования увеличения динамического диапазона регистрации до значения ≥ 10, плотность фототока также вырастает на 3 порядка по отношению к минимально необходимой для уверенной регистрации сигнала. При таких режимах работы возникает искажение распределения электрического поля вблизи фотокатода из-за возникновения градиента потенциала на фотокатоде при большом его поверхностном сопротивлении [Ю.В. Бондаренко и др. Электронно-оптические преобразователи в режиме форсированных световых загрузок. - Автометрия, 1971, №6]. Фотоэмиссионный слой большинства фотокатодов имеет поверхностное сопротивление от 10 до 10 Ом/квадрат. Это приводит к значительным искажениям изображения на экране ЭОП с увеличением мощности входного излучения.
Для устранения вышеперечисленных недостатков разрабатываются прозрачные проводящие подложки под фотокатоды, причем собственное сопротивление проводящей подложки должно быть во много раз меньше сопротивления фотоэмиссионного слоя. В этом случае эффективное сопротивление определяется только сопротивлением подложки. Но при этом возникает проблема выбора подходящего материала подложки, обладающего малым поверхностным сопротивлением и высокой оптической прозрачностью, а также не вызывающего химического отравления фотоэмиссионного слоя, который содержит в себе такие щелочные металлы, как калий, натрий, цезий.
3
Часто используются подложки из таких нейтральных к щелочным металлам материалов как хром, резистивные сплавы, никель. Все они имеют поверхностное сопротивление не меньше ~10 Ом/квадрат, что недостаточно для достижения допустимой величины потенциального рельефа при требуемых характеристиках приборов.
Известен фотокатод, включающий стеклянную основу, на которой расположена никелевая сетка и сформирован фотоэмиссионный слой. Поверхностное сопротивление такого фотокатода составляет 10 Ом/квадрат при коэффициенте пропускания 75%. (описание изобретения к патенту Великобритании №GB 1217477 А, МПК Н01J 1/34, 31.12.1970). Недостатками данного технического решения являются ухудшение пространственного разрешения фотоэлектронных приборов с таким фотокатодом и искажение изображения вследствие намагничивания никелевой сетки.
Известен фотокатод, включающий подложку из оксида олова, покрытую защитным полупроводящим слоем из оксида сурьмы, и фотоэмиссионный слой (патент США №US 3697794, МПК Н01J 1/34, H01J 29/38, 10.10.1972). Данное техническое решение принято в качестве прототипа. Использование такого защитного слоя позволяет применять в качестве проводящего покрытия ядовитый для фотоэмиссионного слоя материал оксид олова, который обладает низким поверхностным сопротивлением и высоким коэффициентом пропускания оптического излучения. Известно, что оксид сурьмы химически активен к щелочным металлам, используемым для формирования фотоэмиссионного слоя (таким как, например Na, Cs, K и др.). Взаимодействие оксида сурьмы со щелочными металлами в процессе формирования фотоэмиссионного слоя приведет к искажению хода процесса формирования и ухудшению чувствительности полученного фотокатода. Поэтому использование решения-прототипа приведет к необходимости разработки нового, адаптированного к данной подложке, технологического процесса формирования фотоэмиссионного слоя. Тем не менее, даже после модификации процесса формирования максимально возможная чувствительность фотокатода, сформированного на описанной подложке, будет меньше, чем без нее. Более того, ресурс такого фотокатода тоже будет снижен, так как взаимодействие оксида сурьмы с фотоэмиссионным слоем может продолжаться во время работы фотоэлектронного прибора.
Основной задачей полезной модели является регистрация быстропротекающих процессов с большим динамическим диапазоном за счет снижения эффективного сопротивления фотокатода, работающего в импульсном режиме, без изменения технологического процесса формирования фотоэмиссионного слоя.
Техническим результатом полезной модели является повышение динамического диапазона фотоэлектронного прибора и увеличение ресурса фотокатода.
Раскрытие полезной модели
Технический результат достигается тем, что в фотокатоде фотоэлектронного прибора, работающего в импульсном режиме, включающего проводящую подложку и фотоэмиссионный слой, между этими слоями наносится прозрачная защитная диэлектрическая пленка. Данная пленка химически нейтральна к фотокатоду. Такую структуру можно рассматривать как конденсатор.
Применение защитной пленки приводит к тому, что фотоэмиссионный слой формируют по отработанной технологии, какая бы проводящая подложка ни использовалась; требование химической инертности на материал подложки при этом снимается. При этом может быть применен именно такой материал диэлектрической пленки, который используется в существующей технологии. Такое защитное покрытие будет предохранять фотоэмиссионный слой от взаимодействия с проводящим слоем и, благодаря своей полной нейтральности, не будет влиять на чувствительность фотокатода, ход технологического процесса и на ресурс фотокатода.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется фигурами 1-6.
На фиг. 1 схематично изображена структура фотокатода, где 1 - стеклянная подложка, 2 - прозрачный проводящий подслой, 3 - прозрачная диэлектрическая подложка, 4 - полупрозрачный фотокатод.
На фиг. 2 показаны спектральные характеристики пропускания полученных покрытий.
На фиг. 3 схематично изображены эквивалентные электрические схемы фотокатодов на стеклянной подложке, на проводящей подложке и на подложке конденсаторного типа, где Rk - сопротивление фотоэмиссионного слоя, Rпc - сопротивление проводящего слоя, С1 и С2 - паразитные емкости, С3 - емкость фотокатода.
На фиг. 4-6 показаны результаты исследований максимального токоотбора с фотокатодов различного типа в хронографических ЭОП.
Осуществление полезной модели.
2
3
Предлагаемый фотокатод конденсаторного типа был реализован следующим образом (фиг. 1). В качестве прозрачного проводящего покрытия 2 был выбран оксид индия, легированный оловом In0(Sn) (так называемая ITO-пленка), для нанесения на стеклянную подложку 1. Пленки ITO широко используются в промышленности, так как из наиболее известных и относительно доступных покрытий они обладают наилучшим сочетанием оптических и электрических свойств: прозрачность от 80 до 95% при сопротивлении около 100 Ом/квадрат.
Известно несколько способов получения ITO-пленок, требующих применения физико-химических процессов и установок вакуумного напыления. Был использован метод реактивного магнетронного распыления мишени из индия, легированного оловом, в атмосфере аргона и кислорода. Плюсами такого метода являются достаточно низкая температура подложки и высокая гибкость параметров при отработке технологии.
Были получены ITO-покрытия, удельное сопротивление которых находилось в диапазоне от 30 до 100 Ом/квадрат при коэффициенте пропускания не менее 85% (на белом свете).
2
Подложка из окиси индия, легированной оловом, не является нейтральной к парам щелочных металлов (натрий, калий, цезий), из которых при взаимодействии с сурьмой при температурах от плюс 180 до плюс 270°С формируется фотоэмиссионный слой. Поэтому, в качестве защитной диэлектрической пленки 3 наносился диоксид кремния (SiC). Диоксид кремния (кварц) является подходящим материалом для изготовления защитной пленки, так как он химически инертен и обеспечивает надежную защиту проводящего слоя от паров щелочных металлов.
2
Для осаждения кварца на поверхность узлов с подложкой под фотокатод конденсаторного типа, был выбран высокочастотный (ВЧ) магнетрон, т.к. использование ВЧ позволяет избегать проблемы исчезающего анода: осажденная емкостная пленка на поверхности анода не успевает зарядиться. Метод ВЧ магнетронного распыления обеспечивает чистоту, высокую адгезию и плотность пленки, а также однородность ее оптических и диэлектрических свойств. Пленка SiO наносится только на рабочую поверхность фотокатода.
2
2
2
В результате на стеклянной подложке были изготовлены покрытия под фотокатод, состоящие из двух последовательно нанесенных пленок InО(Sn) и SiO. Были измерены спектральные характеристики пропускания полученных покрытий. Их характерный вид представлен на фиг. 2. Видно, что пленка SiO практически не ухудшает оптическое пропускание в видимом и ближнем ИК диапазонах. Суммарная характеристика пропускания полученной подложки под фотокатод конденсаторного типа определяется в основном пропусканием ITO-пленки и находится выше 80% в диапазоне длин волн от 430 до 1200 нм.
2
В качестве фотоэмиссионного слоя 4 был сформирован многощелочной фотокатод, для чего подложка поочередно и многократно обрабатывалась парами калия с сурьмой и натрием при температуре 200°С. Полученный слой NaKSb обрабатывался цезием с подпылением сурьмы. Фаза Cs-Sb проводится многократно при температуре (170-190) °С до увеличения фототока и получения максимальной чувствительности. Как показали результаты измерений, значения чувствительности многощелочного фотокатода на разработанной подложке, состоящей из слоя окиси индия, легированной оловом, и слоя диоксида кремния, лежат в области значений, полученных при формировании многощелочного фотокатода без проводящих подложек. Отдельно стоит отметить, что по сравнению с фотокатодом, сформированным на проводящей подложке РС4800 (использование которой в настоящее время является основным технологическим решением при разработке и изготовлении хронографических электронно-оптических преобразователей на многощелочном фотокатоде), фотокатод конденсаторного типа обладает даже большей чувствительностью. Этот факт объясняется более высоким коэффициентом пропускания подложки.
Полученный слой «фотокатод - диэлектрик - проводящая пленка» при импульсных световых загрузках можно рассматривать как конденсатор (фиг. 3), через который проходит большая часть фототока. При этом эквивалентная электрическая схема фотокатода конденсаторного типа в импульсном режиме становится аналогичной схеме фотокатода на проводящей подложке. Таким образом, мы получаем, что фотокатод с диэлектрической прокладкой между фотоэмиссионным и проводящим слоями в импульсном режиме работает аналогично фотокатоду, имеющему только фотоэмиссионный и проводящий слои. При этом диэлектрическая прокладка обеспечивает сохранность фотоэмиссионного слоя и значительно увеличивает его ресурс.
Для апробации предлагаемого фотокатода в составе готового прибора были изготовлены макеты хронографических ЭОП с фотокатодом конденсаторного типа. Исходя из полученных результатов исследования, можно сделать вывод, что основные параметры ЭОП (пространственное разрешение по полю экрана, яркость темнового фона, затворное число, коэффициент электронно-оптического увеличения и спектральный коэффициент преобразования) не зависят от типа подложки под фотокатод. Данные параметры изменяются в определенных интервалах значений, характерных для определенного типа прибора, и эти изменения не коррелируют со способом изготовления многощелочного фотокатода.
Максимальный токоотбор с фотокатодов конденсаторного типа оценивался как максимальная мощность лазерного импульса, поступающего на фотокатод, при которой не наблюдается падения пространственного разрешения ЭОП, вызываемого внутренним электрическим полем в слое фотокатода, которое, в свою очередь, появляется при высоком токоотборе вследствие конечного собственного сопротивления материала фотокатода. Результаты исследования ЭОП с фотокатодом без подложки представлены на фиг. 4. При статической засветке подбирался режим, позволяющий четко различить элемент миры (фиг. 4). Затем на фотокатод подавалось лазерное импульсное излучение, начиная с минимальной энергии 1 мкДж. Как показал эксперимент, элемент миры 10 штр./мм хорошо различим вплоть до 12 мкДж. При энергии лазера 12 мкДж (фиг. 4б) изображение начало «разрушаться» и элемент все той же миры 10 штр./мм стал различим только частично. На фиг. 4в показано, что изображение становится полностью не различимым уже при энергии лазерного излучения 15 мкДж.
На фиг. 5 представлены полученные изображения элемента миры 15 штр./мм на экране ЭОП при различной мощности лазерного излучения. Фотокатод данного прибора был сформирован на проводящей подложке РС4800. Изображение элемента миры 15 штр./мм было различимо вплоть до энергии излучения 50 мкДж (фиг. 5б.), превышение этого порога энергии приводило к разрушению изображения, а при мощности излучения 60 мкДж изображение миры стало абсолютно не различимо (фиг. 5в).
На фиг. 6 видно, что у ЭОП с фотокатодом конденсаторного типа изображение элемента миры 15 штр./мм на экране данного прибора различимо вплоть до максимальной мощности излучения данного лазера 120 мкДж.
Известно, что верхняя граница динамического диапазона определяется максимально возможным током, который можно снять с фотокатода без ухудшения пространственного разрешения.
Сам параметр «динамический диапазон» сильно зависит от многих условий его измерения, таких как длительность импульса, длительность развертки, требование на сохранение пространственного разрешения и контраста изображения. Поэтому, проведенных экспериментов недостаточно для получения абсолютных значений динамического диапазона ЭОП. Однако полученные экспериментальные результаты позволяют провести относительную оценку динамического диапазона, чего вполне достаточно для доказательства эффективности применения фотокатода конденсаторного типа.
0
РC4800
4800
конд
Пусть D -значение динамического диапазона ЭОП с фотокатодом без подложки; D - значение динамического диапазона ЭОП с проводящей подложкой РС; D - значение динамического диапазона ЭОП с фотокатодом конденсаторного типа. Предположим, что нижняя граница динамического диапазона (то есть минимально возможная энергия излучения, подаваемая на фотокатод, при которой возможна регистрация изображения с экрана ЭОП) имеет один и тот же порядок величины для исследуемых приборов. Тогда значение динамического диапазона приборов будет различаться так же, как максимальная энергия излучения, которую можно подать на фотокатод ЭОП без «разрушения» изображения (то есть верхняя граница динамического диапазона). Исходя из полученных данных, получаем следующие соотношения:
Таким образом, в результате проведенных экспериментальных работ показана возможность повысить динамический диапазон в хронографических ЭОП не менее чем в 2,4 раза, за счет использования полезной модели.
Предлагаемый фотокатод с диэлектрической прокладкой между фотоэмиссионным и проводящим слоями создает условия для регистрации быстропротекающих процессов с большим динамическим диапазоном за счет уменьшения его эффективного поверхностного сопротивления в импульсном режиме и обладает повышенным ресурсом за счет отсутствия отравления фотоэмиссионного слоя, благодаря химической инертности защитной диэлектрической прокладки. При этом, для формирования фотоэмиссионного слоя может быть использована стандартная технология, так как она не зависит от материала проводящего слоя.