ПОЛУПРОЗРАЧНЫЙ ФОТОКАТОД
SEMITRANSPARENT PHOTOCATHODE

Техническое решение относится к области фотоэлектронных приборов (ФЭП) и может быть использовано для изготовления полупрозрачных фотокатодов для быстродействующих фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), электронно-оптических преобразователей (ЭОП) с функцией запирания фотокатода, работающих в импульсном режиме в видимой и/или в ближней ультрафиолетовой и/или в ближней инфракрасной областях спектра оптического излучения.
Как известно, многощелочной полупрозрачный фотокатод представляет собой структуру, которая содержит слой фоточувствительного материала (фотоэмиссионный слой), нанесенного на светопрозрачную подложку, представляющую собой входное окно полупрозрачного фотокатода. При работе фотоэлектронного прибора световой поток проходит через входное окно полупрозрачного фотокатода к фотоэмиссионному слою, нанесенному на внутреннюю сторону упомянутого входного окна. Фотоэмиссионный слой под действием энергии квантов света и за счет внешнего фотоэффекта эмитирует фотоэлектроны в вакуумное пространство фотоэлектронного прибора. Под действием внешнего ускоряющего поля, создаваемого высоким напряжением в фотокатодном промежутке (промежутке между поверхностями фотокатода и следующего за ним электрода)фотоэлектронного прибора, поток фотоэлектронов (фототок) направляется к аноду фотоэлектронного прибора и, таким образом, в анодной цепи возникает анодный ток, величина которого пропорциональна интенсивности светового потока. При этом образованный фототок усиливается и преобразуется с тем, чтобы на выходе фотоэлектронного прибора получить электрический сигнал в фотоэлектронном умножителе или оптический сигнал в виде изображения на экране в электронно-оптическом преобразователе.
Качество изображения или электрического сигнала, полученных на выходе фотоэлектронного прибора, в большой степени зависит от квантовой эффективностифотокатода,то есть, эффективности преобразования егофотоэмиссионным слоем квантов света в фотоэлектроны, а также, от коэффициента пропускания входным окном фотокатода оптического излучения в определенном диапазоне длин волн. Одним из параметров, отражающих квантовую эффективность фотокатода, является величина его интегральной чувствительности, которая определяется как величина фототока в микроамперах, вызываемого световым потоком в один люмен, полученным от источника света с непрерывным (сплошным) спектром (источник типа А). В быстродействующих фотоэлектронных приборах, работающих в режиме запирания фотокатода, поверхностное электрическое сопротивление в структуре полупрозрачного фотокатода должно быть достаточно низким для того, что бы исключить неравномерность фототока по рабочему полю и пробои в фотокатодном промежутке по краю рабочего поля, возникающих при коротких импульсах подачи напряжения. С этой целью на прозрачную подложку полупрозрачного фотокатода до нанесения на неё фотоэмиссионного слоя наносят слой прозрачного проводящего материала с низким удельным сопротивлением.
Из описания изобретения к патенту RU 2686063 C1 (публ. 24.04.2019, МПК H01J1/34) известно техническое решение полупрозрачного фотокатода, принятое в качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения полупрозрачного фотокатода. Известный полупрозрачный фотокатод, ближайший аналог, предназначен для использования в быстродействующих фотоэлектронных умножителях и электронно-оптических преобразователях с функцией запирания фотокатода, работающих в импульсном режиме в видимой области спектра оптического излучения.
2
3
Известный полупрозрачный фотокатод содержит прозрачную подложку и последовательно расположенные на ней прозрачный проводящий и фотоэмиссионный слои, а между прозрачным проводящим и фотоэмиссионным слоями для предотвращения их взаимодействия выполнена прозрачная пассивирующая плёнка. В известном полупрозрачном фотокатоде прозрачная подложка может быть выполнена из кварцевого стекла или сапфира, прозрачный проводящий слой содержит оксид индия и олово в определенном соотношении, фотоэмиссионный слой содержит сурьму и, по меньшей мере, один щелочной металл, а пассивирующая плёнка может быть выполнена из одного или нескольких слоев, из которых, по меньшей мере, один слой может быть выполнен из AlO.
Техническое решение ближайшего аналога обеспечивает достаточно низкое поверхностное сопротивление и достаточную прозрачность в структуре полупрозрачного фотокатода для того, чтобы можно было обеспечить довольно высокую интегральную чувствительность полупрозрачного фотокатода и, тем самым, достаточно высокий уровень (интенсивность) выходного сигнала фотоэлектронного прибора с применением известного полупрозрачного фотокатода. Также техническое решение ближайшего аналога обеспечивает стабильность прозрачного проводящего и фотоэмиссионного слоёв по их толщине, что позволяет, задавая определенные толщины проводящего слоя и прозрачной пассивирующей плёнки, выполнять полупрозрачный фотокатод с необходимыми, предварительно заданными спектральными характеристиками.
2
3
2
3
2
3
Однако техническое решение ближайшего аналога не лишено недостатков. Так, при формировании пассивирующей пленки из AlOс относительно малой толщиной поверх проводящего слоя, содержащего оксид индия и олово, в структуре пассивирующей пленки образуется очень большое количество пор из-за большой развитости, шероховатости поверхности проводящего слоя, что, в свою очередь, обусловлено свойствами материала проводящего слоя, содержащего оксид индия и олово. Размер пор в пассивирующей пленке оказывается достаточным для того, чтобы в местах их расположения начались локальные процессы химического взаимодействия щелочных металлов фотоэмиссионного слоя с элементами прозрачного проводящего покрытия. Причем области фотоэмиссионного слоя, вступившие в химическую реакцию с элементами прозрачного проводящего покрытия, распространяются и достигают размеров, во много раз превышающих размеры пор в пленке из AlO. Увеличение толщины пассивирующей пленки из AlO с целью устранения пор приводит к её растрескиванию и, в силу возрастания внутренних напряжений, к отслаиванию структуры от поверхности прозрачной подложки. В силу указанных причин полупрозрачный фотокатод имеет большое количество областей, в которых фотоэмиссионный материал не способен к проявлению внешнего фотоэффекта. Поэтому чувствительность (фотоэмиссионная способность) полупрозрачного фотокатода, ближайшего аналога, не равномерна на различных участках его рабочей площади, что является недостатком ближайшего аналога и, в свою очередь, негативно влияет на такие эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора с применением данного полупрозрачного фотокатода, как вероятность и дальность детектирования объектов наблюдения.
Этот недостаток ближайшего аналога проявляется в том, что в рабочем режиме полупрозрачного фотокатода наблюдается значительное изменение анодного фототока при освещении различных участков рабочей площади полупрозрачного фотокатода, то есть, неравномерность фототока по рабочей площади полупрозрачного фотокатода. При этом при использовании в электронно-оптических преобразователях данный недостаток полупрозрачного фотокатода, ближайшего аналога, проявляется в том, что в поле зрения экрана ЭОП наблюдается большое количество темных точек и пятен размером от единиц до нескольких сотен микрометров, то есть, наблюдается низкая степень чистоты поля зрения экрана электронно-оптического преобразователя.
Вместе с этим, развитость и шероховатость поверхности проводящего слоя ухудшает однородность структуры фотоэмиссионного слоя, поскольку он наносится выше. В свою очередь это также негативно влияет на равномерность распределения чувствительности полупрозрачного фотокатода по его рабочей площади. Дополнительные операции по обработке прозрачного проводящего, содержащего оксид индия и олово, слоя с целью сглаживания его поверхности не обеспечивают в полной мере желаемых эксплуатационных характеристик полупрозрачного фотокатода и, при этом, усложняют технологический процесс по его изготовлению.
Таким образом, указанные недостатки технического решения ближайшего аналога ухудшают технологичность и эксплуатационные характеристики полупрозрачного фотокатода и, соответственно, ухудшают эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора с применением в нём упомянутого полупрозрачного фотокатода.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик полупрозрачного фотокатода и фотоэлектронного прибора с его применением, в повышении технологичности полупрозрачного фотокатода, а также, в расширении арсенала средств аналогичного назначения.
Указанная техническая проблема решается тем, что в полупрозрачном фотокатоде, содержащем прозрачнуюподложку и последовательно расположенные на ней прозрачный проводящий и фотоэмиссионный слои, причем фотоэмиссионный слой содержит сурьму и, по меньшей мере, один щелочной металл, согласно заявляемого технического решения прозрачный проводящий слой выполнен в условиях вакуума посредством осаждения на прозрачную подложку слоя частиц, распыленных из массы графитсодержащего материала электронно-лучевым методом и последующего термического отжига осажденного на прозрачнойподложке слоя.
Благодаря инертности слоя, сформированного осаждением на прозрачнойподложке частиц, распыленных из массы графитсодержащего материала, в структуре полупрозрачного фотокатода исключается какое либо существенное химическое взаимодействие, которое могло бы привести к деградации прозрачного проводящего и смежного с ним фотоэмиссионного слоёв и, соответственно, к уменьшению толщин упомянутых смежных слоев и к существенному снижению способности фотоэмиссионного слоя к проявлению внешнего фотоэффекта.
Термический отжиг, которому подвергнут осажденный на прозрачнойподложке слой, способствует повышению кристаллического совершенства его структуры, что, в свою очередь, уменьшает поверхностное сопротивление прозрачного проводящего слоя и, соответственно, структуры полупрозрачного фотокатода в целом. Вместе с этим, поскольку фотоэмиссионный слой формируется на поверхности прозрачного проводящего слоя, то более высокое кристаллическое совершенство структуры материала прозрачного проводящего слоя способствует большей однородности в структуре материала фотоэмиссионного слоя и, соответственно, однородности фотоэмиссионных свойств на различных его участках.
Вакуумное осаждение на прозрачную подложку слоя частиц, распыленных из массы графитсодержащего материала электронно-лучевым методом позволяет получить на прозрачнойподложке прозрачный проводящий слой с заданной толщиной. Такая возможность, в свою очередь, позволяет, задавая определенную толщину фотоэмиссионного слоя, выполнять полупрозрачный фотокатод с заданными значениями поверхностного сопротивления и прозрачности фотокатодной структуры.
Таким образом, упомянутые признаки полупрозрачного фотокатода, в их совокупности, позволяют обеспечить равномерность чувствительности (фотоэмиссионной способности) полупрозрачного фотокатода на различных участках его рабочей площади, при сохранении высокого значения чувствительности полупрозрачного фотокатода, что является техническим результатом заявляемого технического решения полупрозрачного фотокатода.
Данный технический результат проявляется в том, что изменения анодного фототока, наблюдаемые при освещении различных участков рабочей площади полупрозрачного фотокатода в рабочем режиме, являются не значительными, то есть, наблюдается достаточная равномерность фототока по рабочей площади полупрозрачного фотокатода.
Достигаемый технический результат также проявляется в том, что при использовании полупрозрачных фотокатодов, изготовленных по заявляемому техническому решению, в быстродействующих электронно-оптических преобразователях с функцией запирания фотокатода, наблюдается, в сравнении с ближайшим аналогом, более высокое качество изображения на экране ЭОП. А именно, на экране ЭОП отсутствуют видимые дефекты поля зрения, в том числе, отсутствует эффект краевого разряда, часто возникающий при работе ЭОП в импульсном режиме. То есть, наблюдается высокая степень чистоты поля зрения экрана, и, при этом, наблюдается высокая степень контрастности и разрешения изображения.
При этом значение интегральной чувствительности полупрозрачного фотокатода, изготовленного по заявляемому техническому решению и работающего в составе фотоэлектронных приборов в импульсном режиме, сохраняется на высоком уровне и соответствует значениям чувствительности полупрозрачного фотокатода, ближайшего аналога и аналогичных полупрозрачных фотокатодов при их работе в режиме постоянного напряжения.
Другим техническим результатом заявленного технического решения является уменьшение трудовых и материальных затрат в процессе изготовления полупрозрачного фотокатода. Это обусловлено тем, что для изготовления полупрозрачного фотокатода не требуются операции по дополнительной химико-механической обработке прозрачного проводящего слоя и по нанесению пассивирующей пленки поверх прозрачного проводящего слоя и, соответственно, не требуется использование технологического оборудования, необходимого для выполнения упомянутых операций. Данный технический результат улучшает технологичность полупрозрачного фотокатода.
Таким образом, технические результаты, достигаемые заявленным техническим решением полупрозрачного фотокатода, в сравнении с ближайшим аналогом улучшают эксплуатационные характеристики полупрозрачного фотокатода и фотоэлектронного прибора с его применением, а также улучшают технологичность полупрозрачного фотокатода. Также, реализация заявляемого технического решения полупрозрачного фотокатода расширяет арсенал средств аналогичного назначения. То есть, заявляемое техническое решение полупрозрачного фотокатода решает технические проблемы, на решение которых оно направлено.
Заявляемое техническое решение полупрозрачного фотокатода предполагает, что значение температуры термического отжига осажденного на прозрачнойподложке слоя предпочтительно составляет от 93% до 95% от значения температуры размягчения материала прозрачной подложки.
В заявляемом полупрозрачном фотокатоде графитсодержащим материалом может являться мелкозернистый графит.
В заявляемом полупрозрачном фотокатоде прозрачная подложка может быть прозрачна в видимой и/или в ближней ультрафиолетовой и/или в ближней инфракрасной области спектра оптического излучения. Это позволяет расширить на различные упомянутые области спектра рабочий диапазон полупрозрачного фотокатода и, тем самым, расширить область применения фотоэлектронного прибора с применением упомянутого фотокатода.
В заявляемом полупрозрачном фотокатоде прозрачная подложка может быть выполнена из стекла, например, оптического электровакуумного. Или, прозрачная подложка может быть выполнена из сапфира, что позволяет получить полупрозрачный фотокатод с прозрачным проводящим слоем, отожжённым при большем допустимом значении температуры, а значит, с меньшим поверхностным сопротивлением.
Заявляемое техническое решение полупрозрачного фотокатода реализуют следующим образом.
Предварительно определяют толщину прозрачного проводящего слоя, исходя из условия обеспечения необходимого поверхностного сопротивления и необходимой прозрачности в структуре полупрозрачного фотокатода для обеспечения необходимого значения интегральной чувствительности. Например, для обеспечения значения интегральной чувствительности полупрозрачного фотокатода порядка 650 мкА/лм толщину прозрачного проводящего слоя определяют в размере 4 нм, что обусловливает светопропускание прозрачного проводящего слоя порядка 85 % и его удельное сопротивление 1,5 кОм на квадрат.
На поверхности предварительно подготовленной прозрачной подложки, выполненной, например, из стекла оптического электровакуумного или из сапфира, выполняют заданной толщиной прозрачный проводящий слой. Для этого в условиях вакуума на прозрачную подложку осаждают частицы, распыляемые из массы графитсодержащего материала, например, мелкозернистого графита, посредством электронно-лучевого метода до заданной толщины прозрачного проводящего слоя, а осажденный на прозрачнойподложке слой с заданной толщиной подвергают, также в условиях вакуума, термическому отжигу. При этом температуру отжига поддерживают в интервале значений, которые составляют от 93% до 95% от значения температуры размягчения материала прозрачной подложки с тем, чтобы не нарушить исходную геометрию прозрачной подложки. Например, когда прозрачную подложку выполняют из стекла оптического электровакуумного, температуру отжига предпочтительно поддерживают в интервале температур от 549°C до 560°C. А когда прозрачную подложку выполняют из сапфира, температуру отжига предпочтительно поддерживают в интервале температур от 1800°C до 1900°C.
Поверх прозрачного проводящего слоя любым известным способом формируют фотоэмиссионный слой с использованием сурьмы и, по меньшей мере, одного щелочного металла.
Изготовленные таким образом образцы полупрозрачного фотокатода используют в составе быстродействующих фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей с функцией запирания фотокатода, работающих в импульсном режиме в видимой и/или в ближней ультрафиолетовой и/или в ближней инфракрасной области спектра оптического излучения.
Интегральная чувствительность образцов полупрозрачного фотокатода, изготовленных по заявленному техническому решению, может достигать 800 мкА/лм, что не ниже чувствительности полупрозрачного фотокатода ближайшего аналога, а также не ниже чувствительности аналогичных щелочных полупрозрачных фотокатодов, которые не содержат прозрачный проводящий слой и в фотоэлектронных приборах работают в режиме постоянного напряжения. При этом полупрозрачные фотокатоды, изготовленные по заявленному техническому решению, показывают равномерное распределение чувствительности по рабочему полю, что проявляется в достаточной равномерности фототока по рабочей площади полупрозрачного фотокатода, а также в характеристиках фотоэлектронных приборов с применением изготовленных полупрозрачных фотокатодов, в частности, в отсутствии различных дефектов (точки, пятна, свечение из-за краевого разряда), то есть, в высокой степени чистоты поля зрения на экранах образцов электронно-оптических преобразователей.
Количество изготовленных полупрозрачных фотокатодов, годных по характеристике равномерности чувствительности по рабочему полю, увеличилось в более чем в 2 раза в сравнении с выходом годных по данной характеристике изделий, изготавливаемых по техническому решению ближайшего аналога.