ИОНИЗАЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H01J47/02 

Изобретение относится к регистрации оптической информации, в частности к детекторам ультрафиолетового (УФ) излучения, и может быть использовано в различных областях науки и техники для регистрации непрерывного и импульсного УФ-излучения широкой области спектра в большом диапазоне мощностей.

Одной из важнейших задач является создание УФ-детектора с большим динамическим диапазоном чувствительности. К таким приборам и относится ионизационный детектор УФ-излучения.

Известно устройство для детектирования УФ-излучения, преобразующее поток квантов УФ-излучения в поток электронов в вакууме между фотокатодом и анодом - фотоэлемент Ф-29 [1] .

Устройство представляет собой откачанный объем с окном для УФ-излучения, содержащий фотокатод и анод.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ионизационный детектор УФ-излучения [2] , содержащий помещенную в газонаполняемой камере газоразрядную ячейку, состоящую из приведенной в электрический контакт с токопроводящей шиной полупроводниковой пластины, одна из поверхностей которой выполнена фотоприемной, газоразрядного промежутка и контрэлектрода.

Полупроводниковая пластина выполнена из GaAs, фотоприемной является поверхность, приведенная периферийной частью в электрический контакт с токопроводящей шиной. В газонаполняемой камере устанавливается рабочее давление воздуха (Р = 10^-1--10^-2 атм). Между токопроводящей шиной полупроводниковой пластины и контрэлектродом прикладывается импульс напряжения, обеспечивающий пробой газоразрядного промежутка при одновременном выполнении условий стабилизации и управляемости током газового разряда (t_имп = 5-10 мкс; U = 1,2 мВ, "-" на шине). . При синхронном воздействии УФ-излучения на фотоприемную поверхность полупроводниковой пластины происходит изменение ее сопротивления, в соответствии с которым изменяется ток в цепи газоразрядной ячейки.

Преимуществом данного устройства перед аналогом является большой динамический диапазон чувствительности (не хуже 10⁴), обеспечивающий линейность ампер-ваттной характеристики детектора до 10⁶Вт/см².

Недостатком этого устройства является низкая ампер-ваттная чувствительность.

Целью изобретения является повышение чувствительности устройства.

Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем помещенную в газонаполняемой камере газоразрядную ячейку, состоящую из приведенной в электрический контакт с токопроводящей шиной полупроводниковой пластины, одна из поверхностей которой выполнена фотоприемной, газоразрядного промежутка и контрэлектрода, полупроводниковая пластина обращена фотоприемной поверхностью к газоразрядному промежутку, электрический контакт выполнен на противоположной поверхности пластины, а контрэлектрод выполнен из материала, прозрачного для УФ-излучения.

Дополнительное увеличение чувствительности достигается также тем, что контрэлектрод является входным окном газонаполняемой камеры.

Экспериментально доказано, что важнейшим фактором, ограничивающим чувствительность детектора, является рекомбинация генерируемых носителей электрического тока сблизи фотоприемной поверхности полупроводниковой пластины. Поглощение УФ-излучения полупроводником происходит в тонком (≈ 1 мкм) приповерхностном слое, поэтому основная часть фотоиндуцируемых носителей (электронов и дырок) рекомбинирует через поверхностные уровни, не оказывая влияния на ток газового разряда. Устранение этого ограничивающего фактора является необходимым условием повышения чувствительности детектора. Выполнение этого необходимого условия достигается обращением полупроводниковой пластины фотоприемной поверхностью к газоразрядному промежутку. При таком расположении пластины фотоиндуцируемые в приповерхностном слое электроны вырываются электрическим полем и включаются в ток газового разряда, не успевая рекомбинировать через поверхностные уровни, что и приводит к устранению важнейшего фактора, ограничивающего чувствительность детектора. Таким образом, обращение полупроводниковой пластины фотоприемной поверхностью к газоразрядному промежутку является существенным.

Выполнение электрического контакта на противоположной фотоприемной поверхности полупроводниковой пластины также является существенным, поскольку только такое расположение контакта обеспечивает протекание тока через толщу пластины, обладающую распределенным электрическим сопротивлением, которое обеспечивает необходимые условия стабилизации и управления током газового разряда.

Выполнение контрэлектрода из материала, прозрачного для УФ-излучения, существенно, поскольку фотоприемная поверхность полупроводниковой пластины через газоразрядный промежуток обращена к контрэлектроду, и необходимое для обеспечения чувствительности устройства воздействие на нее УФ-излучением возможно только сквозь контрэлектрод.

Использование контрэлектрода в качестве входного окна газонаполняемой камеры существенно для дополнительного повышения чувствительности устройства в связи с тем, что таким способом удается устранить потери регистрируемого УФ-излучения, обусловленные отражением части этого излучения от поверхности входного окна, имеющегося в прототипе.

При исследовании возможности применения описываемой газоразрядной ячейки для детектирования УФ-излучения выявилась необходимость одновременного выполнения двух условий - электрического контакта полупроводниковой пластины с токопроводящей шиной, обеспечивающего формирование стабилизированного и управляемого газового разряда и доступность фотоприемной поверхности для УФ-излучения. Детектирование УФ-излучения с применением такой газоразрядной ячейки стало возможным после того, как электрический контакт был выполнен на противоположной фотоприемной поверхности полупроводниковой пластины, а контрэлектрод выполнен из материала, прозрачного для УФ-излучения.

В описываемой конструкции ячейки появилось новое свойство - устранение влияния поверхностной рекомбинации фотоиндуцируемых носителей тока, которое привело к положительному эффекту.

Изобретение поясняется фиг. 1-3.

Устройство содержит входное УФ-окно 1, газонаполняемую камеру 2, УФ-прозрачный контрэлектрод 3, газоразрядный промежуток 4, полупроводниковую пластину 5, токопроводящую шину 6.

В варианте по п. 2 (фиг. 2) устройство содержит УФ-прозрачный контрэлектрод 7, газонаполняемую камеру 8, газоразрядный промежуток 9, полупроводниковую пластину 10, токопроводящую шину 11.

На фиг. 3 приведены для сравнения ампер-ваттные характеристики описываемого детектора и прототипа.

Входное УФ-окно 1 предназначено для обеспечения пропускания излучения в газонаполняемую камеру.

Газонаполняемая камера 2 предназначена для обеспечения рабочего давления в газоразрядной ячейке.

УФ-прозрачный контрэлектрод предназначен для подачи напряжения питания на газоразрядную ячейку.

Газоразрядный промежуток 4 предназначен для формирования газового разряда.

Полупроводниковая пластина 5 предназначена для фотоэлектрического преобразования УФ-излучения.

Токопроводящая шина 6 предназначена для обеспечения электрического контакта с полупроводниковой пластиной.

В варианте исполнения (фиг. 2) УФ-прозрачный контрэлектрод 7 предназначен одновременно для подачи напряжения питания на газоразрядную ячейку и для обеспечения пропускания излучения в газонаполняемую камеру.

Ионизационный детектор УФ-излучения работает следующим образом.

В газонаполняемой камере устанавливается рабочее давление (Р = 10^-1 атм). Затем между полупроводниковой пластиной и прозрачным контрэлектродом 3 прикладывается напряжение питания, обеспечивающее пробой газоразрядного промежутка и протекание темного тона в цепи газоразрядной ячейки.

Условия стабилизации и управляемости тока газового разряда обеспечиваются распределенным сопротивлением полупроводниковой пластины.

При проектировании регистрируемого излучения через прозрачный контрэлектрод 3 на фотоприемную поверхность полупроводниковой пластины 5 происходит изменение ее сопротивления, в соответствии с которым изменяется ток в цепи газоразрядной ячейки. Изменение тока регистрируется включенным в цепь стандартным измерительным прибором.

Пример конкретной реализации.

Токопроводящая шина ионизационного детектора УФ-излучения была изготовлена из полированной медной пластины диаметром 30 мм, толщиной 3 мм, запрессованной в изолирующий держатель, выполненный из фторопласта и имеющий в периферийной части крепежные отверстия. Полупроводниковая пластина была выполнена из кремния с удельным сопротивлением ρ = 3х10⁴Ом/см. Данное удельное сопротивление было достигнуто путем компенсации золотом исходной примеси полупроводникового материала - фосфора. Фотоприемная поверхность полупроводниковой пластины была подвергнута химической полировке и отожжена в атмосфере водорода с целью пассивации поверхностных уровней. На поверхности, приводимой в контакт с токопроводящей шиной, был выполнен омический контакт путем диффузии фосфора и напыления слоя никеля толщиной 100 . Толщина пластины - 1,5 мм, диаметр - 30 мм.

Величина газоразрядного промежутка задавалась слюдяной прокладкой толщиной 60 мкм, размером 40х40 мм, в центре которой был сделан вырез диаметром 20 мм, а по углам - крепежные отверстия.

УФ-прозрачный контрэлектрод представлял собой оптически полированную кварцевую пластину диаметром 30 мм, толщиной 2 мм с нанесенным слоем серебра толщиной 200 .

Газонаполняемая камеры была выполнена в виде круглой коробки из латуни с фланцами для крепления вакуумного клапана, вакуумного электрического разъема и входного окна, а также с отверстиями под направляющие винты для сборки газоразрядной ячейки. Входное окно было выполнено из оптически полированной кварцевой пластины диаметром 30 мм, толщиной 2 мм.

Детектирование УФ-излучения осуществлялось следующим образом.

В качестве источника УФ-излучения использовался импульсный лазер ЛГ-21 с длиной волны λ= 0,337 мкм, длительностью импульса излучения t_и = 10^-8 с, мощностью в импульсе 1,8 ˙10³ Вт. Мощность импульса могла ступенчато уменьшаться набором стеклянных отражающих пластин. Газонаполняемая камера УФ-детектора откачивалась до давления Р = 10^-1 атм при температуре Т = 293 К. На газоразрядную ячейку подавалось импульсное напряжение питания U = 1,2 кВ, t_и = 5 мкс, с частотой 45 Гц. Импульсы напряжения на сопротивлении нагрузки (R_н = 50 Ом), вызванные протеканием темного тока в цепи газоразрядной ячейки, наблюдались с помощью осциллографа С1-93. Излучение импульсного лазера, синхронизированного с источником импульсов напряжения питания газоразрядной ячейки, проектировалось на фотоприемную поверхность полупроводниковой пластины. Вызванное воздействием УФ-излучения изменение тока в цепи газоразрядной ячейки измерялось с помощью осциллографа.

На фиг. 3 приведены для сравнения полученные ампер-ваттные характеристики заявляемого детектора и детектора-прототипа.

Из фиг. 3(А) видно, что ампер-ваттная чувствительность заявляемого детектора составляет S_λ = 1,5˙ 10^-3 А/Вт, а порог чувствительности - Ф_п = 0,7 Вт, в то время как для детектора-прототипа S_λ = 10^-4 А/Вт, (В); Ф_п = 10 Вт при данном уровне шумов одной стандартной измерительной установки.

Это стало возможным благодаря тому, что в предложенной конструкции устранен важнейший фактор, ограничивающий чувствительность полупроводникового детектора УФ-излучения - поверхностная рекомбинация фотоиндуцированных носителей тока.

Проведенные испытания показали надежность работы устройства и возможность его использования для детектирования и метрологии УФ-излучения большой мощности в широком спектральном диапазоне с большим динамическим диапазоном чувствительности, например, для детектирования и метрологии импульсного излучения эксимерных лазеров. (56) 1. Справочник "Электровакуумные приборы". Т. 14, Научно-исследовательский институт, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР N 479071, кл. G 03 B 15/00, 1973.

Использование: изобретение относится к регистрации оптической информации, в частности к детекторам УФ-излечения, и может быть использовано в различных областях науки и техники для метрологии непрерывного и импульсного УФ-излучения широкой области спектра в большом диапазоне мощностей. Сущность изобретения: для повышения чувствительности в устройстве, содержащем помещенную в газонаполняемой камере газоразрядную ячейку, состоящую из приведенной в электрический контакт с токопроводящей шиной полупроводниковой пластины, одна из поверхностей которой выполнена фотоприемной, газоразрядного промежутка и контрэлектрода, предлагается изменить конфигурацию газоразрядной ячейки так, чтобы полупроводниковая пластина была обращена фотоприемной поверхностью к газоразрядному промежутку, электрический контакт выполнить на противоположной поверхности пластины, а контрэлектрод выполнить из материала, прозрачного для УФ-излучения. При такой видоизмененной конфигурации ячейки устраняется важнейший фактор, ограничивающий чувствительность полупроводниковых УФ-детекторов, - поверхностная рекомбинация фотоиндуцированных носителей тока, что приводит к повышению чувствительности детектирования с соответствующим снижением порога регистрации и расширением диапазона регистрируемых мощностей. Дополнительное повышение чувствительности предлагается обеспечить путем устранения потерь на отражение за счет того, что УФ-прозрачный контрэлектрод является входным окном газонаполняемой камеры. 1 з. п ф-лы, 3 ил.

1. ИОНИЗАЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий размещенную в газонаполняемой камере газоразрядную ячейку, состоящую из приведенной в электрический контакт с токопроводящей шиной полупроводниковой пластины, одна из поверхностей которой выполнена фотоприемной, газоразрядного промежутка и контрэлектрода, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, полупроводниковая пластина обращена фотоприемной поверхностью к газоразрядному промежутку, электрический контакт выполнен на противоположной поверхности пластины, а контрэлектрод выполнен из материала, прозрачного для УФ-излучения. 2. Детектор по п. 1, отличающееся тем, что контрэлектрод является входным окном газонаполняемой камеры.