ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ-пироЭОП Российский патент 2004 года по МПК H01J31/50 

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к электронно-оптическим преобразователям, преобразующим полученные изображения в среднем или дальнем инфракрасном диапазонах в изображения в видимом диапазоне или в электрический сигнал.

Известен электронно-оптический преобразователь изображения с тонкопленочной пироэлектрической мишенью (далее пироЭОП), которая имеет щелевидные отверстия для модуляции однородного потока электронов (патент России 2160479).

Известный пироЭОП содержит в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник однородного потока электронов, представляющего собой фотокатод, расположенный на внутренней поверхности входного окна, выполненный из материала слабо поглощающего инфракрасное излучение и освещенный вспомогательным источником света, пироэлектрическую мишень со сквозными щелевидными отверстиями, включающую в себя пироэлектрический слой из отдельных дискретных элементов, управляющий проводящий тонкопленочный электрод и несущую диэлектрическую пленку, выполненные непрерывными со сквозными щелевидными отверстиями, и поглощающий слой из отдельных дискретных элементов, расположенные друг за другом по направлению от входного окна к устройству регистрации двумерного электронного изображения.

Недостатком известного пироЭОПа является расположение пироэлектрических дискретных (или непрерывных) элементов непосредственно на поверхности пироэлектрической мишени. Расположенный на поверхности пироэлектрик подвергается воздействию щелочных металлов, содержащихся в фотокатоде. Поверхности всех элементов пироЭОПа, граничащие с вакуумом, подвергаются воздействию щелочных металлов, входящих в состав фотокатода. В настоящее время все известные эффективные фотокатоды содержат щелчные металлы. Эти элементы таблицы Менделеева обладают заметным давлением паров и легко проникают во все области прибора, особенно при повышенной температуре, которая необходима для формирования фотокатода - от +120^oС до +350^oС. Эти элементы химически очень активны. Они взаимодействуют с пироэлектриками и приводят к ухудшению их свойств: снижению удельного сопротивления, снижению пирокоэффициента, что ухудшает чувствительность пироЭОПа.

Особенно легко разрушается несущая диэлектрическая пленка, если она изготавливается из полиимида - материала, наиболее подходящего для этой цели.

Экспериментально установлено, что полиимидная пленка после воздействия паров щелочных металлов теряет натяжение - провисает, приобретает черный цвет и становится проводящей.

Щелочные металлы при рабочих температурах пироЭОПа также проникают во все детали прибора и диффундируют вглубь, особенно при приложенных напряжениях, т.к. они существуют в соединениях только в виде положительных ионов. Поэтому они уменьшают срок службы мишени, даже если удалось избежать их воздействия при изготовлении прибора.

Вторым недостатком известного пироЭОПа является расположение поглощающего слоя, состоящего из отдельных дискретных элементов, со стороны, противоположной падающему излучению. Причем управляющий проводящий тонкопленочный электрод и поглощающий слой располагаются на противоположных сторонах несущей диэлектрической пленки.

Наилучшим образом поглощающий слой выполняет свою роль поглотителя инфракрасного излучения, если он взаимодействует с управляющим проводящим тонкопленочным электродом так, чтобы излучение, отраженное от одного из них, образовывало стоячую волну с пучностью (т.е. максимальной амплитудой)в районе другого. Для этого расстояние между поглощающим слоем и управляющим проводящим тонкопленочным электродом должно быть порядка (2-2,5) мкм для диапазона длин волн излучения 8-14 мкм и (0,8-1) мкм для диапазона 3-5 мкм, если показатели преломления материала между ними n≈1,5. Толщина несущей диэлектрической пленки выбирается равной 0,5 мкм. Увеличение толщины ее до 1 мкм или до 2,5мкм не целесообразно, т.к. увеличивается теплоемкость мишени и теплопроводность вдоль мишени, что снижает чувствительность и разрешающую способность.

Третьим недостатком известного пироЭОПа является щелевидная форма отверстий, приводящая к увеличению шага структуры пироэлектрической мишени и ухудшению разрешающей способности пироЭОПа.

Минимальный шаг структуры должен быть сравним с длиной волны излучения: 14 мкм для диапазона длин волн излучения 8-14 мкм и 5мкм для диапазона 3-5 мкм. При шаге 5 мкм невозможно обеспечить достаточную механическую прочность мишени со щелевидными отверстиями.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности пироЭОПа, повышение его чувствительности, разрешающей способности и процента выхода годных изделий в производстве.

Указанная цель достигается тем, что:
А. ПироЭОП, содержащий в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник однородного потока электронов, представляющего собой фотокатод, выполненный сплошным из материала прозрачного для инфракрасного излучения и расположенный на внутренней поверхности входного окна со стороны пироэлектрической мишени, пироэлектрическую мишень со сквозными отверстиями, состоящую из элементов пироэлектрического слоя, расположенных на управляющем проводящем электроде между сквозными щелевидными отверстиями в нем, управляющего проводящего тонкопленочного электрода, расположенного на диэлектрической несущей пленке с отверстиями, совпадающими с отверстиями в управляющем проводящем электроде и дискретными элементами поглощающего слоя, расположенными также между отверстиями в несущей пленке, выполняется с поглощающим слоем, расположенным на поверхности мишени, обращенной к падающему инфракрасному излучению и управляющим проводящим электродом на противоположной поверхности мишени.

Б. Указанная цель достигается тем, что в пироЭОПе по п. А в качестве поглощающего слоя применяются дискретные элементы металлической пленки толщиной приблизительно 0,1-0,2 мкм, располагающиеся на поверхности мишени, обращенной к падающему инфракрасному излучению.

В. Указанная цель достигается тем, что в пироЭОПе по п. А в качестве поглощающего слоя применяются дискретные элементы из нитрида кремния и (или) оксинитрида кремния толщиной не менее 0,1мкм.

Г. Указанная цель достигается тем, что поглощающий слой из нитрида и (или) оксинитрида кремния изготавливается непрерывным с отверстиями, совпадающими с отверстиями в управляющем проводящем электроде и несущей пленке.

Д. Указанная цель достигается тем, что сквозные отверстия выполняются овальной формы (или круглыми) с большой осью не более 3 мкм для диапазона длин волн излучения 3-5 мкм и 8 мкм для диапазона 8-14 мкм. Перемычки между отверстиями выполняются шириной меньшей, чем диаметр отверстия, достаточной для обеспечения механической прочности мишени.

Работа пироЭОПа согласно изобретению поясняется фиг.1:
где 1 - инфракрасное излучение, сфокусированное объективом;
2 - входное окно;
3 - вспомогательный фотокатод;
4 - однородный поток электронов;
5 - защитный и поглощающий слой;
6 - несущая полиимидная пленка;
7 - пироэлектрик;
8 - управляющий проводящий тонкопленочный электрод (отражающий слой);
9 - вакуумированная колба;
10 - устройство регистрации двумерного электронного изображения;
11 - источник вспомогательного излучения.

Инфракрасное излучение 1 проходит через входное окно 2 и вспомогательный фотокатод 3, создающий однородный поток электронов 4, попадает на поглощающий слой 5, частично поглощается в нем, частично отражается и частично проходит насквозь. Далее проходит сквозь полиимидную пленку 6 и пироэлектрик 7 практически без поглощения и попадает на управляющий проводящий тонкопленочный электрод 8, в котором частично поглощается частично отражается и частично проходит. Сопротивление управляющего проводящего электрода 8 выбирается таким, чтобы сквозь него прошло не более 5-10% излучения. Отраженная часть излучения образует с падающей частью стоячую волну, которая имеет нули и пучности (максимумы). На отражающей поверхности отражающего электрода располагается нуль, а максимум на расстоянии 1/4/λ (четверть длины волны) от отражающей поверхности. Для диапазона длин волн 8-14 мкм поглощающую поверхность следует располагать на расстоянии 2-2,5 мкм от отражающей поверхности, а для диапазона 3-5 мкм - на расстоянии 0,8-1,0 мкм.

Указанные расстояния могут быть уменьшены за счет того, что отражающий излучение управляющий электрод частично поглощает излучение, частично пропускает. На чертеже это отражено в графике зависимости амплитуды излучения А от координаты Z тем, что А≥0 на поверхности отражающего управляющего электрода и за ним (т.е. при Z≤0). При этом расстояние между управляющим электродом и максимумом амплитуды излучения может быть меньше, чем расстояние между нулевым значением амплитуды А и ее максимальным значением.

Вторым способом уменьшения расстояния между отражающей поверхностью управляющего электрода и поглощающей поверхностью является помещение поглощающего слоя вблизи максимума амплитуды волны, смещенной в сторону отражающего управляющего электрода, пользуясь тем, что в области максимума амплитуда изменяется медленно.

Расположение поглощающего слоя на поверхности мишени, обращенной к падающему излучению, а управляющего проводящего электрода на противоположной стороне мишени позволяет обеспечить необходимое расстояние и достичь поглощения 70-90% падающего излучения.

Одновременно эти слои защищают пироэлектрик и несущую пленку от воздействия паров щелочных металлов, т.к. эти слои выполняются из материалов, в которых диффузия щелочных металлов происходит чрезвычайно медленно. Это нихром, алюминий, нитрид кремния и оксинитрид кремния (возможны и другие материалы, не пропускающие щелочные металлы).

Металлы имеют плотную структуру и не пропускают ни газы, ни щелочные элементы. В металлах не существуют электрические поля, облегчающие диффузию щелочных элементов.

Среди диэлектриков нитрид кремния один из немногих может противостоять диффузии щелочных элементов (также и оксинитрид кремния).

Авторами были изготовлены экспериментальные образцы пироЭОПов, в которых было установлено, что ни один органический диэлектрик не дает защиты от щелочных элементов. Не обеспечивает защиту также слой двуокиси кремния и моноокиси кремния.

Поглощающий слой, выполненный из проводящего материала, выполняется дискретным, чтобы не выравнивался потенциал всех элементов.

Поглощающий слой, выполненный из диэлектрика, например нитрида кремния, может быть выполнен непрерывным с отверстиями, совпадающими с отверстиями в полиимидной пленке. В этом случае достигается более полная защита от паров щелочных металлов.

Комбинация дискретного и непрерывного поглощающих слоев дает наилучшие результаты по защите от паров щелочных металлов, минимизации теплопроводности вдоль мишени и увеличению поглощения излучения.

Порядок расположения несущей диэлектрической пленки и слоя пироэлектрика может измениться на противоположный. Порядок расположения диэлектрических слоев, граничащих между собой, может быть произвольным, т.к. через них ток не протекает и любое изменение потенциала на поверхности пироэлектрика попадает на поверхность мишени через емкость диэлектрической несущей пленки не зависимо от порядка их расположения.

Выбор порядка расположения зависит от удобств технологии.

Для удобства технологии пироэлектрический слой может быть непрерывным с отверстиями, совпадающими с отверстиями в несущей диэлектрической пленке. Такая конфигурация пироэлектрического слоя автоматически получается при напылении его на несущую пленку.

Изобретение относится к электронной технике, конкретно к электронно-оптическим преобразователям изображения. Техническим результатом является повышение чувствительности пироэлектрического электронно-оптического преобразователя - пироЭОПа за счет увеличения поглощения излучения мишенью, а также устраняет недостаток прототипа, заключающийся в практической неосуществимости пироЭОПа прототипа из-за отсутствия защиты мишени от паров щелочных металлов. ПироЭОП содержит вакуумированную колбу с входным окном, прозрачным для инфракрасного излучения, источник однородного потока электронов, которым является вспомогательный фотокатод, пироэлектрическую мишень, включающую пироэлектрический слой, расположенный на несущей диэлектрической пленке, поглощающий слой, расположенный со стороны входного окна, непрерывный проводящий управляющий слой, расположенный на противоположной стороне мишени, причем поглощающий слой и управляющий слой одновременно защищают мишень от вредного воздействия щелочных металлов из фотокатода, и устройство регистрации двумерного электронного изображения. 7 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения, содержащий в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник однородного потока электронов, представляющего собой фотокатод, выполненный прозрачным для инфракрасного излучения и расположенный на внутренней поверхности входного окна со стороны пироэлектрической мишени, пироэлектрическую мишень со сквозными отверстиями, состоящую из пироэлектрического слоя, несущей диэлектрической пленки, управляющего проводящего тонкопленочного электрода с отверстиями, совпадающими с отверстиями в несущей диэлектрической пленке, и элементами поглощающего слоя, расположенными между отверстиями в несущей пленке, отличающийся тем, что пироэлектрическая мишень выполняется с поглощающим слоем, расположенным на поверхности мишени, обращенной к падающему инфракрасному излучению, и управляющим проводящим тонкопленочным электродом на противоположной поверхности мишени, причем мишень имеет защитный слой со стороны, противоположной управляющему тонкопленочному проводящему электроду.2. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения по п.1, отличающийся тем, что в качестве поглощающего слоя применяются дискретные элементы металлической пленки толщиной приблизительно 0,1-0,2 мкм, располагающиеся на поверхности мишени, обращенной к падающему инфракрасному излучению.3. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения по п.1, отличающийся тем, что в качестве поглощающего слоя применяются дискретные элементы из нитрида кремния толщиной не менее 0,1 мкм.4. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения по п.1, отличающийся тем, что в качестве поглощающего слоя применяются дискретные элементы из оксинитрида кремния толщиной не менее 0,1 мкм.5. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что дискретные элементы поглощающего слоя выполняются совмещенными с непрерывным защищающим слоем из оксинитрида и нитрида кремния толщиной не более 0,1 мкм, имеющим отверстия, совпадающие с отверстиями в управляющем проводящем тонкопленочном электроде.6. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения по п.3 или 4, отличающийся тем, что поглощающий слой из нитрида и оксинитрида кремния изготавливается непрерывным, толщиной 0,1÷0,3 мкм с отверстиями, совпадающими с отверстиями в управляющем проводящем тонкопленочном электроде.7. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения по п.6, отличающийся тем, что сквозные отверстия выполняются овальной формы с большой осью не более 3 мкм для диапазона длин волн излучения 3÷5 мкм и 8 мкм для диапазона 8÷14 мкм.8. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения по п.6, отличающийся тем, что сквозные отверстия выполняются круглыми с диаметром не более 3 мкм для диапазона длин волн излучения 3-5 мкм и 8 мкм для диапазона 8-14 мкм.