ЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ С НАНОАЛМАЗНЫМ СЛОЕМ
ELECTRON MULTIPLIER WITH NANODIAMOND LAYER

Область техники
Настоящее изобретение относится к общей области отражательных электронных умножителей, находящихся в трубках-детекторах электромагнитного излучения или потока ионов.
Электронный умножитель согласно изобретению называется отражательным, поскольку у него одна и та же сторона принимает поток электронов, называемых налетающими, и испускает в ответ поток электронов, называемых вторичными. Этим он отличается от электронных умножителей на основе пропускания, у которых принимающая сторона и испускающая сторона отличаются друг от друга.
В качестве иллюстрации, такой отражательный электронный умножитель может представлять собой микроканальную пластину или совокупность динодов, расположенных в фотоумножительной трубке, трубке-усилителе изображения и даже в трубке-детекторе ионов.
Уровень техники
Трубки-детекторы электромагнитного излучения или потока ионов, такие, как фотоумножительные трубки, трубки-усилители изображения и трубки-детекторы ионов, содержат обычно входное устройство для приема излучения электронов или потока ионов и испускания в ответ потока электронов, называемых первичными, электронный умножитель для приема указанного потока первичных электронов и испускания в ответ потока электронов, называемых вторичными, и затем выходное устройство для приема указанного потока вторичных электронов и испускания в ответ выходного сигнала.
Электронный умножитель содержит по меньшей мере одну активную структуру, предназначенную для приема потока налетающих электронов и испускания в ответ потока электронов, называемых вторичными.
Это может быть электронный умножитель отражательного типа, тогда активная структура имеет одну и ту же сторону для испускания и приема электронов. Он может быть образован, например, как микроканальная пластина (GMC) или система динодов.
GMC является электронным умножителем с повышенным коэффициентом усиления и обычно имеет вид тонкой пластины, содержащей сеть микроканалов, проходящих через нее от передней стороны, обращенной к входному устройству, к противоположной задней стороне, обращенной к выходному устройству.
Из двух электродов один расположен на передней стороне GMC, а другой на задней стороне. Таким образом, в GMC имеется разность потенциалов между двумя ее сторонами, чтобы создать электрическое поле.
Как показано на фигуре 1A, которая является частичным схематическим видом микроканала 12 пластины GMC, когда первичный электрон входит в микроканал 12 и ударяется о его внутреннюю стенку 14, генерируются вторичные электроны, которые, в свою очередь сталкиваясь со стенкой 14, создают другие вторичные электроны. Электроны направляются и ускоряются электрическим полем к выходному отверстию 13B микроканала 12, расположенному на уровне задней стороны 11B GMC.
Таким образом, активная структура GMC содержит в основном подложку, образующую указанную пластину, которая выполнена из свинцового стекла. Проводится обработка для восстановления свинца, чтобы оптимизировать коэффициент вторичной эмиссии и сделать внутреннюю стенку каждого микроканала полупроводниковой. Затем внутреннюю стенку каждого микроканала электрически соединяют с внешним источником напряжения, что позволяет снабжать каждый микроканал электронами, предназначенными для испускания.
i
Суммарный коэффициент усиления G пластины GMC зависит от элементарного коэффициента усиления δ, или локального коэффициента вторичной эмиссии, на каждом этапе i умножения, и от числа n этапов умножения в каждом микроканале, согласно следующему соотношению:
<maths num="1"><math display="block"><mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∏</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></math><img file="00000001.tif" he="11" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(1).
-1/2
i
Кроме того, GMC имеет отношение сигнал/шум, которое зависит от коэффициента шума F как F. Но коэффициент шума F зависит также от элементарного коэффициента усиления δ и числа n этапов умножения в каждом микроканале, как выражает следующее соотношение:
<maths num="2"><math display="block"><mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>δ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>δ</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>δ</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>...</mn><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>δ</mi><mn>2</mn></msub><mn>...</mn><msub><mi>δ</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000002.tif" he="11" wi="71" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(2),
1
i>1
где δ~3-5 и δ~2.
Таким образом, увеличения суммарного коэффициента усиления G пластины GMC можно достичь увеличением длины каждого микроканала, чтобы увеличить число этапов умножения. Однако, как показывает соотношение (2), это влечет де-факто к повышению коэффициента шума F и, следовательно, снижению отношения сигнал/шум. Таким образом, увеличение суммарного коэффициента усиления GMC сопровождается ухудшением качества ее сигнала.
Другой возможностью увеличения суммарного коэффициента усиления GMC без ухудшения отношения сигнал/шум может быть применение известного метода химического осаждения из паровой фазы (CVD по-английски, от chemical vapor deposition) для осаждения тонкой пленки материала с высоким коэффициентом вторичной эмиссии на внутреннюю стенку микроканалов GMC. Однако, это потребовало бы подвергнуть подложку GMC температуре выше 800°C на длительное время, что неприемлемо, так как подложку GMC из свинцового стекла нельзя подвергать температурам выше 430°C, не ухудшая ее структуру и, тем самым, ее характеристики.
Альтернативно GMC, отражательный электронный умножитель может быть образован из системы динодов 2-1, 2-2, 2-3..., конфигурация которых может быть, как известно, конфигурацией типа жалюзи, ящик, линейно-сфокусированная, беличья клетка, сетка или фольга. Описание этих разных категорий динодов можно найти в работе Wernick & Aarsvold, 2004, Emission tomography: the fundamentals of PET and SPECT, Academic Press Inc.
i
Умножитель имеет суммарный коэффициент усиления G, который записывается тем же соотношением, что и для GMC, но где теперь δ есть элементарный коэффициент усиления на этапе i умножения, здесь на диноде i, и при числе n динодов.
i
Система динодов имеет также время нарастания (Rise Time по-английски), которое напрямую зависит от элементарного коэффициента усиления δ каждого динода и от числа n динодов, что выражается следующим соотношением:
<maths num="3"><math display="block"><mrow><mi>R</mi><mi>T</mi><mo>∝</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mn>1</mn><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></math><img file="00000003.tif" he="13" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(3),
1
где δ есть временной разброс сигнала на уровне динода i. Время нарастания RT определяется классически как разность между временами достижения 10% и 90% от максимальной величины импульса тока на аноде (выходное устройство) системы обнаружения, в ответ на импульс света, моделируемый дельта-функцией.
Таким образом, повышение суммарного коэффициента усиления G системы динодов может быть достигнуто увеличением числа n динодов, но это влечет де-факто повышение времени нарастания RT. Таким образом, повышение суммарного коэффициента усиления системы динодов сопровождается ухудшением временной разрешающей способности умножителя.
Описание изобретения
Основной целью изобретения является создать отражательный электронный умножитель, имеющий повышенный суммарный коэффициент усиления при сохранении или улучшении отношения сигнал/шум или времени нарастания.
Поэтому объектом изобретения является отражательный электронный умножитель для детектора электромагнитного излучения или потока ионов, содержащий по меньшей мере одну активную структуру, предназначенную принимать поток налетающих электронов и испускать в ответ поток электронов, называемых вторичными.
Согласно изобретению, указанная активная структура содержит подложку, на которой располагается тонкий наноалмазный слой, образованный из алмазных частиц, средний размер которых меньше или равен 100 нм.
Под отражательным электронным умножителем понимается устройство, у которого активная структура имеет одну и ту же сторону для приема потока налетающих электронов и испускания потока вторичных электронов. Таким образом, этот тип устройства отличается от электронных умножителей на основе пропускания, в которых активная структура имеет первую сторону для приема потока налетающих электронов и вторую сторону для испускания потока вторичных электронов.
Таким образом, активная структура содержит тонкий наноалмазный слой, а алмаз является материалом с высоким коэффициентом вторичной эмиссии электронов. Следует отметить, что указанный тонкий слой есть слой, образованный из алмазных частиц. Поэтому его называют гранулярным, зернистым или дискретным, и он отличается от алмазных слоев, образующих физически сплошную среду.
Таким образом, электронный умножитель согласно изобретению действительно имеет высокий суммарный коэффициент усиления, поскольку по меньшей мере один этап умножения обеспечивается наноалмазным слоем. Кроме того, улучшено отношение сигнал/шум, или сохраняется время нарастания, так как нет необходимости увеличивать число этапов умножения в умножителе.
Предпочтительно, средний размер алмазных частиц в указанном наноалмазном слое составляет от 1 нм до 10 нм, предпочтительно составляет порядка 5 нм.
Указанный наноалмазный слой может иметь среднюю толщину, по существу равную среднему размеру алмазных частиц.
Он может также иметь среднюю толщину больше среднего размера алмазных частиц и, таким образом, быть образованным из нескольких наноалмазных монослоев.
Под монослоем понимается слой, средняя толщина которого, по существу, равна среднему размеру алмазных частиц.
Указанный наноалмазный слой может иметь среднюю толщину, заключенную между 1 нм и 100 нм, предпочтительно, заключенную между 5 нм и 75 нм, например, порядка 20 нм или 50 нм.
Предпочтительно, средняя толщина указанного наноалмазного слоя существенно меньше 50 нм.
Указанный наноалмазный слой находится в контакте с подложкой, причем указанная подложка является проводником электричества и имеет заданный электрический потенциал.
Альтернативно, указанный наноалмазный слой может покоиться на подслое из электропроводящего материала, причем указанный подслой находится в контакте с указанной подложкой, а указанная подложка является электроизолятором.
2
3
Указанный подслой может быть выполнен из AlO и ZnO, или из MgO и ZnO, или из любой другой комбинации материалов, обеспечивающей высокую проводимость в области, использующейся для этих приложений.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, указанная активная структура представляет собой микроканальную пластину, в которой каждый из указанных микроканалов проходит через указанную подложку, начиная с входного отверстия для потока налетающих электронов, до выходного отверстия для потока вторичных электронов, причем указанный наноалмазный слой простирается на внутренней поверхности каждого указанного микроканала, начиная с соответствующего входного отверстия.
Предпочтительно, указанный наноалмазный слой простирается в микроканале на длину, составляющую от одного до тридцати средних диаметров микроканалов.
Указанный наноалмазный слой простирается на внутренней поверхности каждого указанного микроканала до расстояния относительно соответствующего указанного выходного отверстия, составляющего от одного до десяти средних диаметров микроканалов.
Альтернативно, указанный наноалмазный слой может простираться на всю длину внутренней поверхности каждого из указанных микроканалов до соответствующего выходного отверстия.
Указанная подложка указанной микроканальной пластины может быть выполнена из свинцового стекла.
Согласно одному варианту, указанная подложка указанной микроканальной пластины может быть выполнена из стекла и имеет, по существу, нулевую концентрацию оксида свинца PbO.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, умножитель содержит множество активных структур, при этом каждая активная структура является динодом, расположенных относительно друг друга таким образом, чтобы последовательно умножать поток налетающих электронов, причем по меньшей мере один динод содержит подложку, на одной стороне которой простирается, по меньшей мере частично, указанный наноалмазный слой.
Изобретение относится также к системе для обнаружения электромагнитного излучения или потока ионов, содержащей:
- входное устройство для приема излучения электронов или потока ионов и испускания в ответ потока электронов, называемых первичными,
- отражательный электронный умножитель согласно любой из предыдущих характеристик, для приема указанного потока первичных электронов и испускания в ответ потока электронов, называемых вторичными, и
- выходное устройство для приема указанного потока вторичных электронов и испускания в ответ выходного сигнала.
Предпочтительно, указанный наноалмазный слой расположен так, чтобы принимать указанный поток первичных электронов.
Система обнаружения может представлять собой фотоумножительную трубку, трубку-усилитель изображения или трубку-детектор потока ионов.
Наконец, изобретение относится также к способу получения электронного умножителя согласно любой предшествующей характеристике, содержащему этап формирования наноалмазного слоя на указанной подложке, причем указанный этап содержит приведение в контакт, по меньшей мере частичный, указанной подложки с коллоидным раствором, содержащим алмазные частицы, средний размер которых меньше или равен 100 нм, в ультразвуковой ванне, на заданный период времени.
Предпочтительно, алмазные частицы имеют средний размер меньше или равный 10 нм, причем указанному этапу ультразвуковой ванны предшествует этап уменьшения алмазных частиц с помощью элементов уменьшения на основе циркония.
Предпочтительно, алмазные частицы получены заранее детонацией.
Другие преимущества и характеристики изобретения выявятся из неограничивающего подробного описания, представленного ниже.
Краткое описание чертежей
Далее в качестве неограничивающих примеров описываются воплощения изобретения с обращением к приложенным чертежам, на которых:
фигура 1A, уже описанная, является схематическим видом в продольном разрезе микроканала микроканальной пластины согласно уровню техники;
фигура 1B, уже описанная, является схематическим видом в продольном разрезе динодной системы линейно-сфокусированного типа, согласно уровню техники;
фигура 2 является схематическим видом в продольном разрезе электронного умножителя, содержащего микроканальную пластину согласно первой форме осуществления изобретения;
фигура 3 является схематическим видом в продольном разрезе электронного умножителя, содержащего микроканальную пластину согласно первому варианту первой формы осуществления, представленной на фигуре 2;
фигура 4 является схематическим видом в продольном разрезе электронного умножителя, содержащего микроканальную пластину согласно второму варианту первой формы осуществления, показанной на фигуре 3;
фигура 5 есть схематический вид в продольном разрезе электронного умножителя, содержащего систему динодов, согласно второй форме осуществления изобретения.
Подробное описание предпочтительных форм осуществления
Фигура 2 схематически показывает часть электронного умножителя 1 согласно первой форме осуществления изобретения, содержащего в основном микроканальную пластину 2 (GMC).
Этот умножитель 1 может применяться в системе обнаружения электромагнитного излучения или потока ионов. При этом предполагается, что он находится в трубке-усилителе изображения, но он может также использоваться в фотоумножительной трубке или в трубке-детекторе потока ионов.
Следует отметить, что масштабы не соблюдаются, ставя на первое место ясность чертежа.
Во всем следующем описании используется ортогональная система отсчета (R,Z) в цилиндрических координатах, где R есть радиальное направление трубки, а Z есть осевое направление трубки, которое также, по существу, можно уподобить общему направлению распространения электронов.
Кроме того, используемые ниже выражения "передний" и "задний" следует понимать здесь в терминах ориентации в направлении Z системы отсчета (R,Z).
Трубка-усилитель изображения может иметь форму, по существу, цилиндрическую или трубки, направленной по оси Z. Однако, трубка также может иметь сечение квадратной, прямоугольной, шестиугольной или любой другой формы.
Трубка содержит три основных элемента, расположенных в направлении Z, а именно входное устройство (не показано), электронный умножитель 1 и выходное устройство (не показано). Трубка содержит также корпус (не показан) трубки, функция которого состоит в том, чтобы обеспечить механическую прочность вышеуказанным трем элементам, определить границы герметичной камеры, вместе с входным и выходным устройствами и позволить подачу напряжения на разные электроды, предусмотренные для создания разных электрических полей. Указанные три элемента расположены, по существу, вдоль оси Z трубки.
В случае трубки-усилителя изображение входного устройства содержит фотокатод, который принимает налетающие фотоны из внешней среды, чтобы превратить их в фотоэлектроны согласно рисунку, соответствующему изображению наблюдаемой среды. Электронный умножитель 1 усиливает фотоэлектроны, которые затем преобразуются выходным устройством в световой сигнал, усиленный на уровне фосфорного экрана, КМОП-детектора или ПЗС-детектора и даже простого анода, если речь не идет о приложениях, связанных с получением изображений.
Согласно изобретению, электронный умножитель 1 содержит активную структуру 2, предназначенную принимать поток налетающих электронов и испускать в ответ поток электронов, называемых вторичными. Указанная активная структура 2 содержит подложку 3, на которой расположен тонкий наноалмазный слой 4, образованный из алмазных частиц, средний размер которых меньше или равен 100 нм, предпочтительно меньше или равен 10 нм.
В рамках первой формы осуществления изобретения активная структура 2 является микроканальной пластиной (GMC).
GMC образована из подложки 3, содержащей сетку микроканалов 12, которые проходят через подложку 3, начиная с ее передней стороны 11A, обращенной к входному устройству, до ее задней стороны 11B, обращенной к выходному устройству.
Таким образом, каждый микроканал 12 имеет входное отверстие 13A для потока фотоэлектронов, расположенное на уровне передней стороны 11A пластины GMC 2, и выходное отверстие 13B для потока вторичных электронов, расположенное на уровне задней стороны 11B.
Наноалмазный слой 4 простирается, по существу, непрерывно на внутренней поверхности 14 каждого микроканала 12, начиная от входного отверстия 13A и в направлении выходного отверстия 13B.
Он простирается в микроканале 12 на длину, составляющую от одного до тридцати средних диаметров микроканалов, предпочтительно от пяти до десяти средних диаметров.
Наноалмазный слой 4 расположен в микроканале 12 таким образом, чтобы он обеспечивал по меньшей мере первый этап умножения электронов.
Согласно этой форме осуществления, наноалмазный слой 4 находится в прямом контакте с внутренней поверхностью 14 каждого микроканала 12.
За наноалмазным слоем 4 в направлении Z, внутренняя поверхность 14 микроканала 12 больше не покрыта наноалмазным слоем.
Таким образом, каждый микроканал 12 имеет первую переднюю зону 15A, в которой внутренняя поверхность 14 микроканала 12 покрыта наноалмазным слоем 4, за которой в направлении Z идет вторая задняя зона 15B, не содержащая наноалмазного слоя.
Кроме того, следует отметить, что наноалмазный слой 4 обработан водородом, цезием или оксидом цезия, чтобы снизить электронное сродство. Таким образом, электроны, генерированные вторичной эмиссией, могут быть извлечены из него естественным путем.
Подложка 3 предпочтительно сделана из свинцового стекла, причем было проведено восстановление свинца. Таким образом, подложка 3 имеет на уровне внутренней поверхности 14 микроканалов 12 оптимизированный локальный коэффициент вторичной эмиссии, а также достаточную электропроводность, чтобы позволить снабжение электронами, предназначенными для испускания.
Кроме того, внутренняя поверхность 14 каждого микроканала 12 соединена электрически с одним и тем же источником напряжения (не показан), образующим резервуар электронов для наноалмазного слоя 4, с одной стороны, и для второй, задней, зоны 15B внутренней поверхности 14 микроканалов 12, с другой стороны.
Таким образом, внутренняя поверхность 14 микроканала 12 пластины GMC 2 из свинцового стекла обеспечивает на уровне первой, передней, зоны 15A, по существу, электрическую функцию доставки электронов к наноалмазному слою 4, причем эмиссия вторичных электронов в этой зоне обеспечивается наноалмазным слоем 4.
Кроме того, на уровне второй, задней, зоны 15B внутренняя поверхность 14 обеспечивает, наряду с доставкой электронов, предназначенных для испускания, дополнительную функцию испускания вторичных электронов.
Наконец, умножитель 1 содержит два поляризующих электрода (не показаны), один из которых расположен на передней стороне 11A пластины GMC 2, а другой - на задней стороне 11B. Эти два электрода, электрически связанные с источником напряжения (не показан), позволяют создавать внутри GMC электрическое поле, предназначенное ориентировать и ускорять вторичные электроны в направлении выходного отверстия 13B.
Следует отметить, что источник напряжения, образующий резервуар электронов, может также обеспечивать генерацию электрического поля посредством двух поляризующих электродов. Поляризующий электрод, находящийся на задней стороне GMC, может в таком случае обеспечивать электрическое соединение внутренней поверхности 14 каждого микроканала 12 с указанным источником напряжения.
2
Как написано выше, GMC 2 согласно первой форме осуществления изобретения получена в основном из оксида кремния (SiO) и оксида свинца (PbO).
Микроканалы 12 имеют средний диаметр порядка, например, от 2 мкм до 100 мкм и отношение длины к диаметру в интервале, например, от 40 до 100.
Наноалмазный слой 4 образован из алмазных частиц средним размером меньше или равным 100 нм, предпочтительно, заключенным между 1 нм и 50 нм, предпочтительно, заключенным между 5 нм и 10 нм, предпочтительно порядка 6 нм.
Наноалмазный слой 4 называется зернистым, или гранулярным, или дискретным, таким образом, он не является физически сплошным в смысле сплошных сред.
Средняя толщина наноалмазного слоя 4 - порядка величины среднего размера алмазных частиц, так что наноалмазный слой 4 является, по существу, монослоем. Его средняя толщина, по существу, составляет от 1 нм до 100 нм, предпочтительно порядка 6 нм.
Наноалмазный слой 4 простирается по внутренней поверхности 14 микроканалов 12 на длину порядка от одного до тридцати средних диаметров микроканалов 12, предпочтительно порядка от 5 до 10 средних диаметров, например, от 50 мкм до 100 мкм.
Поляризующие электроды могут быть сделаны из никель-хрома и простираются по передней стороне и задней стороне GMC. Могут также использоваться и другие материалы, такие как ITO.
Теперь опишем подробно получение наноалмазного слоя на GMC со ссылкой на статьи Williams и др., одна под названием "Enhanced diamond nucleation on monodispersed nanocrystalline diamond" (Улучшенная нуклеация алмаза на монодисперсном нанокристаллическом алмазе), 2007, Chem. Phys. Lett., 445, 255-258, а другая под названием "Growth, electronic properties and applications of nanodiamond" (Выращивание, электронные свойства и применение наноаламаза), 2008, Diam. Relat. Mater., 17, 1080-1088.
Сначала получают алмазный порошок, образованный из алмазных частиц, средний размер которых меньше или равен 100 нм, предпочтительно заключен между 1 и 10 нм и предпочтительно порядка 6 нм.
Для этого используется известный метод детонации. Однако, в цикле охлаждения ударной детонационной волны образуются агрегаты алмазных частиц, средний размер которых существенно больше 100 нм, что делает распределение частиц по среднему размеру неоднородным.
Чтобы сделать гомогенным распределение по размерам порошка, полученного детонацией, его размалывают (milling по-английски) с помощью зерен оксида циркония (zirconia beads по-английски). Детали этой процедуры описаны, в частности, в цитированной выше статье Williams от 2007.
Смесь, полученную в результате этого этапа размола, затем фильтруют и очищают путем агрессивной обработки кислотами, что позволяет получить стабильную суспензию наноалмазных частиц, распределение по размерам которых гомогенное. Средний размер наноалмазных частиц составляет порядка 6 нм, с распределением по размеру, заключенным между 5 нм и 10 нм.
Затем GMC погружают, начиная с передней стороны, в коллоидный раствор воды или этанола, содержащий указанный наноалмазный порошок, в ультразвуковой ванне, на заданный период времени, например, 30 мин.
Наноалмазные частицы осаждаются тогда на внутреннюю поверхность микроканалов, образуя в результате указанный наноалмазный слой.
Продолжительность пребывания в ультразвуковой ванне позволяет, в частности, контролировать длину распространения наноалмазного слоя вдоль микроканалов, начиная с соответствующего входного отверстия.
Наконец, полученную так пластину GMC промывают чистой деионизированной водой и сушат (blow-dried) в азоте. Таким образом, получают электронный умножитель, содержащий GMC, активная структура которой содержит наноалмазный слой.
1
Таким образом, когда поток фотоэлектронов входит в микроканалы 12, они ударяются о наноалмазный слой 4, который испускает в ответ поток вторичных электронов с элементарным коэффициентом усиления δ. Испущенные вторичные электроны могут затем столкнуться несколько раз с наноалмазным слоем 4, прежде чем они ударятся о внутреннюю поверхность 14 микроканалов 12, расположенную во второй, задней, зоне 15B, или столкнутся непосредственно с внутренней поверхностью 14 микроканалов 12, находящейся во второй, задней, зоне 15B. После числа n этапов умножения, из которых по меньшей мере первый обеспечивается наноалмазным слоем 4, поток вторичных электронов выходит из каждого микроканала 12 через выходное отверстие 13B в направлении фосфорного экрана трубки-усилителя изображения.
Так, электронный умножитель согласно первой форме осуществления изобретения имеет несколько преимуществ.
1
Действительно, поскольку, как известно, алмаз имеет высокий выход вторичной эмиссии, в частности, выше, чем у свинцового стекла, электронный умножитель имеет особенно высокий суммарный коэффициент усиления, так как по меньшей мере первый этап умножения реализуется наноалмазным слоем. Действительно, элементарный коэффициент усиления δ на уровне первого этапа умножения составляет от 5 и до более 60, например, порядка 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60 или более, тогда как для свинцового стекла он составляет от 3 до 5. Кроме того, согласно соотношению (2), снижается коэффициент шума, что также повышает отношение сигнал/шум.
Таким образом, без необходимости увеличивать длину микроканалов, электронный умножитель согласно первой форме осуществления изобретения имеет повышенный суммарный коэффициент усиления и улучшает отношение сигнал/шум по сравнению с GMC на свинцовом стекле, согласно предшествующему уровню техники.
Следует отметить, что наноалмазный слой 4 может простираться не на короткое расстояние от входного отверстия 13A, как описано ранее, но на всю длину микроканала 12 до соответствующего выходного отверстия 13B.
Таким образом, все этапы умножения электронов, налетающих в микроканалы 12, обеспечиваются, по существу, наноалмазным слоем 4. Суммарный коэффициент усиления умножителя 1 является в таком случае особенно высоким, и отношение сигнал/шум повышено.
В случае трубки-усилителя изображения, чтобы не снижать пространственное разрешение, наноалмазный слой простирается предпочтительно вдоль микроканала, но заканчивается на расстоянии порядка от одного до десяти средних диаметров микроканалов от выходного отверстия. В этом случае на внутренней поверхности микроканала на указанном расстоянии порядка от 1 до 10 средних диаметров микроканалов от выходного отверстия можно выполнить слой 17 для сбора электронов (показан на фигуре 3), выполненный из проводящего материала с, по существу, нулевым коэффициентом вторичной эмиссии. Таким образом, налетающие электроны, ударяющиеся об этот слой сбора в этой зоне, называемой зоной сбора, поглощаются указанным слоем, не испуская вторичных электронов. Таким образом, пространственное разрешение умножителя остается неизменным.
Фигура 3 показывает первый вариант первой формы осуществления изобретения, описанной выше.
Числовые позиции для ссылок, идентичные позициям на описанной выше фигуре 2, обозначают идентичные или схожие элементы.
2
3
Этот вариант отличается от предыдущей формы осуществления в основном тем, что внутренняя поверхность 14 микроканалов 12 во второй, передней, зоне 15B покрыта тонким слоем 16 AlO - материала с высоким коэффициентом вторичной эмиссии.
2
3
Тонкий слой AlO 16 может иметь толщину порядка 5 нм и простираться вдоль микроканала 12, но здесь он останавливается на расстоянии порядка от одного до десяти средних диаметров микроканалов от выходного отверстия 13B. Как упоминалось ранее, слой 17 для сбора электронов, выполненный из проводящего материала с, по существу, нулевым коэффициентом вторичной эмиссии, может располагаться на внутренней поверхности 14 микроканала 12 на указанном расстоянии порядка от 1 до 10 средних диаметров микроканалов от выходного отверстия. Пространственное разрешение умножителя, в частности, в случае трубки-усилителя изображения, таким образом, сохраняется.
2
3
Напротив, в случае фотоумножителя или детектора потока ионов тонкий слой 16 AlO может наоборот простираться до выходного отверстия 13B микроканала 12.
2
3
2
3
Так, следует отметить, что внутренняя поверхность 14 микроканала 12, по существу, выполняет в таком случае функцию электрического соединения между наноалмазным слоем 4 и тонким слоем 16 AlO, с одной стороны, и источником напряжения, с другой стороны, чтобы позволить снабжение указанных слоев электронами, предназначенными для испускания. Внутренняя поверхность 14 микроканала 12 больше не имеет функции эмиссии вторичных электронов, так как эту функцию осуществляют наноалмазный слой 4 и слой AlO 16.
2
3
Слой 16 AlO можно осадить на внутреннюю поверхность 14 микроканалов 12 до формирования наноалмазного слоя 4, известным способом осаждения, называемым ALD от Atomic Layer Deposition.
2
3
Таким образом, слой 16 AlO можно осадить на всю длину канала.
Затем вход канала металлизируют посредством NiCr или ITO, идя от входного отверстия 13A на длину от двух до пяти средних диаметров канала.
Наконец, проводят осаждение наноалмазного слоя 4 на этот проводящий слой.
Затем можно сформировать наноалмазный слой 4, согласно способу, описанному ранее в связи с первой формой осуществления изобретения.
Фигура 4 показывает второй вариант описанной выше первой формы осуществления изобретения.
Числовые позиции для ссылок, идентичные позициям на описанной выше фигуре 3, обозначают идентичные или схожие элементы.
2
Этот второй вариант отличается от описанного выше первого варианта, по существу, тем, что подложка 3 пластины GMC 2 выполнена из стекла (SiO), а не только из свинцового стекла. Так, концентрация оксида свинца (PbO), по существу, равна нулю.
2
3
Таким образом, внутренняя поверхность 14 микроканалов 12 не имеет больше надлежащих электрических свойств, позволяющих обеспечить электрическое соединение между наноалмазным слоем 4 и слоем AlO 16 и с источником напряжения.
2
3
2
3
В таком случае подслой 5 электропроводящего материала предусмотрен между наноалмазным слоем 4 и слоем AlO 16, с одной стороны, и внутренней поверхностью 14 микроканала 12, с другой стороны. Этот подслой 5 обеспечивает, таким образом, электрическое соединение между наноалмазным слоем 4 и слоем 16 AlO и с источником напряжения, с целью обеспечения указанных слоев электронами, предназначенными для испускания.
2
3
Этот подслой 5 может быть выполнен из AlO и ZnO - материала, обычно называемого AZO, и быть осажден известным способом осаждения атомных слоев (по-английски ALD, от Atomic Layer Deposition). Его толщина может быть порядка 5-30 нм.
Затем можно сформировать наноалмазный слой 4, согласно методу, описанному ранее в связи с первой формой осуществления изобретения.
Следует отметить, что подложка 3 выполнена из стекла, но теперь не из свинцового стекла. Этап восстановления свинца теперь больше не нужен, что упрощает процесс получения GMC. Кроме того, повышен срок службы GMC, так как больше нет атомов водорода, остающихся адсорбированными на внутренней поверхности микроканалов на этапе восстановления свинца, которые способны высвобождаться и ухудшать GMC или фотокатод.
Фигура 5 показывает частично и схематически вторую форму осуществления изобретения, в которой умножитель 1 содержит совокупность динодов 2-i. Таким образом, каждый динод 2-i образует активную структуру 2 умножителя.
Числовые позиции для ссылок, идентичные позициям на описанной выше фигуре 3, обозначают идентичные или схожие элементы.
Этот тип электронного умножителя 1 обычно установлен в фотоумножителе или детекторе потока ионов.
В фотоумножителе электронный умножитель находится между входным устройством, содержащим фотокатод, и анодом, образующим выходное устройство.
Совокупность динодов 2-i, показанных на фигуре 5, находится в линейно-сфокусированной конфигурации, однако могут применяться и другие конфигурации, например, жалюзи, ящик, беличья клетка, сетка или фольга.
Каждый динод 2-i содержит подложку 3, одна сторона которой покрыта слоем вторичной эмиссии.
По меньшей мере один динод 2-1, предпочтительно первый в направлении движения электронов, имеет подложку 3, одна сторона которой покрыта наноалмазным слоем 4, какой описан в связи с первой формой осуществления изобретения и в ее вариантах.
2
3
2
Диноды 2-i, которые не содержат указанного наноалмазного слоя 4, могут содержать слой оксида металла, например, BeO, AlO или MgO, обработанный цезием, чтобы снизить его электронное сродство, или слой из подходящего полупроводникового материала, например, SbKCs или SbRbCs.
Предпочтительно, все диноды 2-i содержат указанный наноалмазный слой.
В случае, когда подложка образована из диэлектрического материала, например, из керамики, между поверхностью подложки 3 и наноалмазным слоем 4 предусматривается подслой 5 из электропроводящего материала. Этот подслой 5 электрически связан с источником напряжения (не показан), что позволяет поляризовать динод 2-i и снабдить наноалмазный слой 4 электронами, предназначенными для испускания. Этот подслой 5 может быть осажден классическим способами осаждения в вакууме, например, посредством ALD, катодным распылением (sputtering по-английски) и даже испарением.
Таким образом, электронный умножитель имеет особенно высокий общий коэффициент усиления, поскольку по меньшей мере один динод, предпочтительно первый динод, содержит указанный наноалмазный слой. Кроме того, согласно соотношению (3), сохраняется время нарастания RT, и, следовательно, сохраняются временные характеристики умножителя.
Таким образом, без необходимости увеличения числа динодов электронный умножитель согласно второй форме осуществления изобретения дает повышенный суммарный коэффициент усиления, а время нарастания остается таким же, как в динодах согласно предшествующему уровню.
Кроме того, при одинаковом коэффициенте усиления можно уменьшить число динодов и существенно снизить время нарастания RT.
Следует отметить, что алмазный слой может быть получен и осажден способом, идентичным или близким способу, описанному в связи с первой формой осуществления изобретения.
Разумеется, специалистами могут быть внесены различные модификации в изобретение, которое было описано исключительно в качестве неограничивающих примеров.
Так, электронный умножитель может применяться в любом типе фотоумножителей, например, в канальном электронном умножителе.
Этот тип фотоумножителя содержит между фотокатодом и выходным анодом электронный умножитель в виде единственного канала, внутренняя поверхность которого обладает способностью вторичной эмиссии.
Таким образом, канальный электронный умножитель согласно изобретению имеет внутреннюю поверхностью канала, по меньшей мере частично покрытую наноалмазным слоем, описанным выше в связи с первой и второй формой осуществления изобретения, предпочтительно начиная с входного отверстия.
Наноалмазный слой может быть получен и размещен способом, идентичным или близким способу, описанному в связи с первым вариантом осуществления изобретения.
Таким образом, канальный электронный умножитель согласно изобретению имеет преимущества, близкие или идентичные преимуществам, описанным в связи с первой формой осуществления изобретения.