КОМБИНИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
COMBINED ELECTRO-OPTICAL CONVERTER

Изобретение выполняет функцию устройства, предназначенного для преобразования изображений невидимой части спектра (например, инфракрасного либо ультрафиолетового) в видимый диапазон. Конструктивно, ЭОП представляет собой оптический прибор, выполненный в металлокерамическом корпусе, с входным оптическим окном из материала, прозрачного в оптическом диапазоне, и оптическим трактом в составе последовательно расположенных фотокатода, электродов ускоряющего промежутка; микроканальной пластины (МКП); люминесцентного экрана, выходного оптического окна [1-3].
Работа устройства основана на совершении ряда последовательных преобразований изображения объекта в потоках фотонов невидимой части спектра в изображение в потоке электронов, умножении интенсивности изображения в потоках электронов и последующем его пропорциональном преобразовании в оптическое изображение видимой части спектра и последующем выводе излучения через выходное окно, прозрачное для видимой части спектра.
+
-8
-9
2
Наиболее близкой конструкцией - прототипом - к заявляемому изобретению является электронно-оптический преобразователь поколения 2, включающий металлокерамический корпус, вакуумно-плотное входное окно (из MgF, кварц, сапфир и др.), с расположенным на нем УФ фотокатодом (на основе TeCs, щелочных металлов и др.), микроканальную пластину, катодолюминесцентный экран, расположенный на волоконно-оптической пластине (ВОП), электроды ускоряющего промежутка, геттер, электрические контакты, гальванически связанные с фотокатодом, МКП, экраном и геттером [4]. ВОП одновременно является вакуумно-плотным выходным оптическим окном, выводящим излучение через вторую свою плоскость, и позволяет откачивать внутренний объем корпуса устройства до остаточного атмосферного давления в 10-10 мм рт.ст.
ЭОП прототип чувствителен в УФ диапазоне, однако его квантовая эффективность невысока (~10%), а спектральная область чувствительности жестко фиксирована и составляет 0,19-0,27 мкм.
Задачей изобретения является обеспечение возможности регулирования квантовой эффективности в диапазоне 12-25% и «красной» (длинноволновой) границы области чувствительности в диапазоне 0,27-0,45 мкм.
Для реализации изобретения предлагается электронно-оптический преобразователь, чувствительный к оптическому диапазону вакуумного ультрафиолета (0,12-0,27 мкм) и ультрафиолетовой области (0,20-0,45 мкм), конструкция которого состоит из металлокерамического корпуса, входного оптического окна, катодолюминесцентного экрана, расположенного на волоконно-оптической пластине, геттера и электродов, отличающийся тем, что на входном окне вместо фотокатода расположен тонкий слой прозрачного в УФ области спектра соединения сурьмы с цезием, а вместо микроканальной пластины расположена прозрачная для ультрафиолетового диапазона пластина с нанесенным на нее со стороны, обращенной к люминесцентному экрану, фотокатодом на основе слаболегированной акцепторами поликристаллической алмазной пленки.
На Фиг. 1 представлено изображение заявляемой конструкции ВУФ и УФ ЭОП, предназначенной для регистрации изображений в ВУФ и УФ областях спектра, где: 1 - корпус устройства; 2 - входное окно (окно для ввода оптического излучения); 3 - наноразмерной толщины пленка соединения сурьмы с цезием; 4 - прозрачная для ВУФ либо УФ пластина с расположенным на ее стороне, обращенной к люминесцентному экрану, фотокатодом 5, выполненным на основе поликристаллической алмазной пленки, слаболегированной акцепторами; 6 - люминесцентный экран из слоя люминофора субмикронной толщины и прозрачного для света слоя наноразмерной толщины, расположенный на ВОП 7, которая является одновременно вакуумно-плотным выходным окном для вывода оптического излучения; 8 - электроды ускоряющего промежутка; 9 - электрические контакты, гальванически связанные с перечисленными активными элементами, 10 - геттер.
В предлагаемом устройстве, представленном на Фиг. 1, изображение в первичном потоке фотонов невидимого ВУФ либо УФ диапазона пропорционально преобразуется фотокатодом на основе алмазной пленки в изображение в потоке электронов, последнее затем пропорционально преобразуется люминесцентным экраном в изображение в фотонах видимого диапазона, выводимого посредством ВОП сквозь выходное окно корпуса ЭОП. Наноразмерной толщины слой из соединения цезия с сурьмой является источником атомов цезия, генерируемых потоком первичных фотонов. Изменением исходного соотношения атомов сурьмы и цезия в пленке можно регулировать темп эмиссии в объем корпуса атомов цезия, а значит, степень активации атомами цезия, адсорбирующимися из объема на поверхность фотокатода из алмазной пленки, изменяя тем самым энергию барьера для выхода «средних» (доминирующего числа) фотоэлектронов. Помимо задания начального уровня работы выхода посредством выбора исходного соотношения между атомами сурьмы и цезия, можно несколько ее изменять, меняя относительно поверхности фотокатода потенциал на ускоряющих электродах. Это особенно эффективно в фотокатодах острийных конструкций.
Действительно, энергия сродства алмазных пленок составляет ~3,0-3,5 эВ, что существенно ниже энергии сродства полупроводниковых материалов (~4 эВ), используемых в качестве фотокатодов, но больше энергии сродства для Cs (~1,5 эВ). С учетом экспоненциальной зависимости вероятности выхода фотоэлектронов из фотокатода в вакуум, цезирование поверхности алмазной пленки способно увеличить вероятность выхода фотоэлектронов в ~10 раз [~ехр (2)]. Значит, следует ожидать увеличение квантовой эффективности фотокатода из алмазной пленки с поверхностью, активированной цезием, по сравнению с фотокатодом на алмазной пленке, не подвергнутой такой активации. Электрическое смещение (положительное) электродов на ускоряющем промежутке относительно поверхности фотокатода позволит, за счет суперпозии поля барьера и внешнего поля, а также сил зеркального изображения, «обострить» потенциальный барьер, что понизит энергию перевала, а значит, приведет к смещению длинноволновой («красной») границы чувствительности в длинноволновую область УФ спектра.
Таким образом:
- расположение на внутренней поверхности входного окна пленки из соединения сурьмы и цезия и вариация элементного состава соединения позволит управляемо уменьшать работу выхода фотоэлектронов, а значит, управляемо увеличивать квантовый выход фотокатода (теоретически, для алмаза ~ в 10 раз) и параллельно смещать «красную» границу чувствительности в длинноволновую область УФ диапазона;
- использование в качестве фотокатода алмазной пленки с наноструктурированной поверхностью (с массивами наноразмерных острий, например) позволит управляемо смещать «красную» границу чувствительности в длинноволновую область УФ диапазона, т.е. расширять ВУФ диапазон в сторону УФ диапазона.
Прототип изобретения не позволяет это сделать.
Работа заявляемого устройства (Фиг. 1) происходит следующим образом. Изображение в потоках ВУФ либо УФ фотонов, проходя пленку из соединения сурьмы и цезия и частично теряя сравнительно малую часть энергии на эмиссию атомов цезия из объема пленки во внутренний объем корпуса и проходя через прозрачную для излучения пластину, поглощается фотокатодом и пропорционально преобразуется в изображение в фотоэлектронах. Поток фотоэлектронов, имеющих энергию, большую энергии запрещенной зоны алмаза, при приложении к электродам ускоряющего промежутка соответствующего напряжения, положительного относительно поверхности фотокатода, покидает фотокатод, устремляясь к люминесцентному экрану, смещенному положительно как относительно фотокатода, так и относительно ускоряющих электродов. Взаимодействие изображения в потоках ускоренных фотоэлектронов с активным веществом (люминофором) экрана по механизму катодолюминесценции способствует преобразованию энергии фотоэлектронов в поток фотонов. Изображение в потоке вторичных фотонов (уже видимой части спектра) посредством ВОП выводится через выходное окно корпуса ЭОП.
Примеры измерений
Была исследована область спектральной чувствительности фотокатода на основе поликристаллической алмазной пленки, слаболегированной акцепторами. Измерения выполнены с использованием монохроматора МДР206, дейтериевого источника (ДДС30) и галогеновой лампы (КГ-70), стандартного калибровочного фотодиода и вакуумной камеры, с входным окном на основе кварца. Спектральное разрешение составляло 10 нм. Область чувствительности фотокатода составила 0,19-0,27 мкм (снизу ограничена нижней границей прозрачности кварцевого окна). Величина квантовой эффективности, определенная с использованием калибровочного фотодиода, с коррекцией потерь на ввод излучения в объем дала величину ~12%.
С использованием той же техники, в стандартной схеме измерений, был изучен спектральный диапазон чувствительности и измерена квантовая эффективность УФ ЭОП заявляемой конструкции, содержащего фотокатод на основе поликристаллической алмазной пленки и наноразмерной толщины пленку из соединения сурьмы и цезия фиксированного состава, расположенную на тыльной стороне входного окна. Установлено, область чувствительности УФ ЭОП составляет 0,19-0,45 мкм (т.е. «красная» граница смещена в длинноволновую область УФ диапазона, а квантовая эффективность увеличилась при этом до ~25%. На Фиг. 2 представлены экспериментальные результаты измерений спектральной фоточувствительности УФ ЭОП заявляемой конструкции.
Таким образом, экспериментальные исследования подтверждают теоретические ожидания возможности управления квантовой эффективностью и положением «красной» границы фоточувствительности в заявляемой конструкции.
Источники информации
1. Козелкин В.В., Усольцев И.Ф. Основы инфракрасной техники, 3 изд., М., 1985; Зайдель И.Н.
2. Куклев С.В., Соколов Д.С., Зайдель И.Н. Электронно-оптические преобразователи. М.: НИИ ЭПР, 2004, 188 с.
3. Саликов В.А. Приборы ночного видения // Специальная техника, №2, 2000, с. 40-48.
4. Электронно-оптический преобразователь. Серия ЭПМ 70-Г. (МЭЛЗ ЭВП) - прототип.