СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2009 года по МПК H01J31/50 

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к способу изготовления электронно-оптического преобразователя (ЭОП), содержащего микроканальную пластину (МКП) и источник питания, а также к созданию ЭОП на базе предлагаемого способа. ЭОП используются в приборах ночного видения (ПНВ), в детекторах фотонов, в приборах для научных исследований, в приборах для медицины и других областях техники. Основное применение ЭОП находят в ПНВ.

Принцип действия ЭОП основан на испускании фотокатодом электронов в ответ на принятые фотоны, их усилении и преобразовании в видимую сцену. Основное усиление яркости изображения осуществляет МКП за счет умножения фотоэлектронов испускаемых фотокатодом в ответ на полученные фотоны и умножения вторичных электронов в каналах МКП. Вышедшие из каналов МКП вторичные электроны ускоряются под действием электрического поля и, попадая на приемник изображения ЭОП, например люминесцентный экран, повторяют спроецированную на фотокатод сцену, усиленную по яркости в сотни раз. Источник питания, обычно входящий в состав ЭОП, вырабатывает необходимые напряжения, которые подаются на электроды ЭОП.

В настоящее время промышленностью в основном выпускаются ЭОП 2⁺ поколения и 3 поколения. В ЭОП 2⁺ поколения используется многощелочной фотокатод, а в ЭОП 3 поколения обычно используется фотокатод на основе системы галлий-арсенид (GaAs) или системы индий-галлий-арсенид (InGaAs), активированные окисью цезия (Cs:О). Многощелочной фотокатод достаточно устойчив к воздействию остаточных газов, находящихся в объеме ЭОП. Фотокатод же на основе арсенида галлия очень требователен к величине остаточного давления и легко подвержен отравлению, что приводит к падению чувствительности фотокатода и сокращению срока службы ЭОП. Для защиты фотокатода на основе арсенида галлия используется ионно-барьерная пленка, нанесенная на входную поверхность МКП, которая предотвращает выход из каналов МКП положительных ионов и нейтральных газов и тем самым сохраняет фотокатод, что увеличивает срок службы прибора. Однако использование ионно-барьерной пленки имеет и отрицательные стороны. Ее применение ухудшает такие характеристики ЭОП, как отношение сигнал/шум, разрешение, ореол, частотно-контрастную характеристику, уровень темнового фона, что снижает качество изображения и уменьшает дальность действия прибора.

Вопросу исключения ионно-барьерной пленки уделяется много внимания, так как ЭОП без ионно-барьерной пленки имеет более высокие технические характеристики и обеспечивает увеличение дальности действия прибора. Известно, что в электровакуумных приборах при ионной бомбардировке, электронной бомбардировке и при нагреве происходит значительное газоотделение с деталей и узлов, подвергшихся данным воздействиям. В ЭОП, при работе прибора, имеет место электронная бомбардировка входной поверхности МКП между ее каналами, стенок каналов МКП и экрана ЭОП, с поверхностей которых десорбируются газы, находящиеся в приповерхностных слоях и в объеме данных узлов ЭОП. Полностью обезгазить весь объем МКП и экрана практически невозможно. Можно лишь обеспечить обезгаживание приповерхностных слоев, которые затем восполняются из более глубинных слоев. В связи с этим для поглощения выделяющихся при электронной бомбардировке газов необходимо использовать эффективные газопоглотители и создать условия, которые существенно ограничивают возможность ионизации остаточных газов. В работе Буто (Boutot J.-P., Acta Electron, 14, 243, 1971), который провел обширные измерения скорости десорбции газа из МКП как в процессе обезгаживания, так и в процессе эксплуатации, показано, что длительное термическое обезгаживание при температуре между 300°С и 520°С и электронная очистка позволяют уменьшить последующую десорбцию газов до столь низких величин, что они могут быть сорбированы соответствующим газопоглотителем, обеспечивающим требуемую долговечность ЭОП. Однако данная работа была выполнена применительно к ЭОП с многощелочным фотокатодом, т.к. ЭОП 3 поколения в то время еще не производились.

В современных ЭОП 3 поколения обычно используется фотокатод на основе системы галлий-арсенид (GaAs) или системы индий-галлий-арсенид (InGaAs), активированные окисью цезия (Cs:О). Под действием фотонов данный фотокатод испускает фотоэлектроны, которые под действием электрического поля ускоряются в сторону входной поверхности МКП. При входе фотоэлектронов в МКП и соударении их со стенками каналов выделяются активные газы, которые могут превратиться в положительные ионы и под действием электрического поля бомбардировать фотокатод, также на фотокатод, из-за его высокой сорбционной способности, могут оседать нейтральные газы. Также активные газы выделяются при соударениях вторичных электронов со стенками каналов, в процессе умножения вторичных электронов в каналах МКП, причем количество активных газов при соударении вторичных электронов в десятки раз превышает количество активных газов, выделившихся при первичных соударениях фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом. Количество активных газов, выделяющихся при соударении вторичных электронов со стенками каналов, зависит от степени обезгаживания МКП и величины рабочего напряжения на МКП, и чем больше давление остаточных газов в объеме ЭОП и больше величина рабочего напряжения на МКП, тем больше активных газов будет образовано в процессе умножения вторичных электронов в каналах МКП. Действительно, в соответствии с формулой, определяющей средний потенциал, достигаемый электроном между столкновениями:

V_C=V²/4α²×V₀,

где V_C - средний потенциал, достигаемый электроном между столкновениями;

V - рабочее напряжение МКП;

α - калибр МКП, т.е. отношение длины канала к его диаметру;

V₀ - средний потенциал вторичных электронов, падающих под прямыми углами к стенке каналов (пренебрегая скоростью в других направлениях).

В соответствии с данной формулой, при рабочем напряжении на МКП, равном 1040 В, V_C=72 В, а при рабочем напряжении на МКП, равном 425 В, V_C=12 В (при V₀, равном 1,5 В, и калибре МКП, равном 50). Естественно, при большей энергии вторичных электронов, ударяющихся в стенки каналов, газоотделение со стенок каналов будет больше, чем при меньшей энергии вторичных электронов. Кроме того, учитывая, что потенциалы ионизации остаточных газов в ЭОП (О₂, Н₂О, Н₂, СО, СО₂) лежат в диапазоне от 12,5 В до 15,4 В, то уменьшение среднего потенциала, достигаемого электроном между столкновениями с 72 В до 12 В, приводит к резкому снижению вероятности образования ионов остаточных газов. Т. к. количество ионов резко сокращается, то также резко уменьшается бомбардировка фотокатода ионами. Таким образом, для обеспечения необходимого срока службы беспленочного ЭОП 3 поколения и уменьшения «ионных сцинтилляций» необходимо использование эффективных газопоглотителей с одновременным уменьшением рабочего напряжения на МКП.

Для подачи напряжений на фотокатод, МКП и экран используются источники питания, входящие в состав ЭОП. Если ранее использовались не стробируемые источники питания, то в последнее время все большее распространение получают стробируемые источники питания. Стробируемые источники питания ЭОП имеют значительные преимущества, так как обеспечивают высокое качество изображения в большом динамическом диапазоне входной освещенности. Кроме того, они обеспечивают защиту фотокатода от бомбардировки положительными ионами в тысячу и более раз при высоких освещенностях, когда длительность рабочего цикла в тысячу и более раз меньше полной длительности цикла, что увеличивает долговечность ЭОП. При низкой освещенности эффективность защиты фотокатода мала и составляет всего проценты или доли процентов, так как длительность рабочего цикла в этом режиме близка к полной длительности цикла, но так как газовыделение в этом режиме незначительное, то оно не приводит к существенному сокращению срока службы. При проведении работы в условиях ночного города, когда имеются помехи высокой интенсивности, использование стробируемых источников питания ЭОП является необходимым условием, так как обычные не стробируемые источники питания в условиях ночного города не могут обеспечить высокое качество изображения и сохранность фотокатода.

Известен способ изготовления ЭОП с МКП без ионно-барьерной пленки с заявленной долговечностью в 7500 ч (патент США №6,320,180 от 20.11.2001 г.). Предлагаемый способ изготовления ЭОП состоит из следующих этапов: изготовления МКП по стандартной технологии из стекла в соответствии с патентом США №5015909 от 14.05.1991 г. или другого подходящего состава с нанесением на входную и выходную поверхности МКП металлического покрытия из нихрома, обезгаживания МКП в вакууме, изготовления экрана, термического и электронного обезгаживания экрана в вакууме, помещения МКП и экрана в корпус ЭОП, формирования фотокатода из полупроводника с GaAs или InGaAS слоем, термической очистки фотокатода при высокой температуре с удалением окисных слоев с последующей активацией фотокатода цезием и кислородом по стандартной технологии с осаждением на фотокатод оптимального количества цезия, термического обезгаживания МКП, экрана и корпуса ЭОП в вакууме, электронного обезгаживания МКП и экрана пучком высокой энергии в корпусе ЭОП в течение длительного времени с принятием мер по сохранению целостности экрана, заполнения цезием корпуса ЭОП, герметизации фотокатода с корпусом ЭОП, активации проволочного Ti/Ta газопоглотителя для удаления остаточных газов, испытания ЭОП и сочленения его с источником питания. Изготовленный по данному способу ЭОП питается от стробируемого источника питания, известного из более ранних патентов США №5,883,381 от 16.03.1999 г., №5,949,063 от 07.09.1999 г., №6,087,649 от 11.07.2000 г., №6,279,494 от 02.10.2001 г. Подобный способ изготовления ЭОП, но только применительно к уменьшению ореола, описан в патенте США №6,624,406 от 23.09.2003 г.

Недостатком данного способа изготовления ЭОП является малая долговечность ЭОП, которая составляет порядка 7500 часов, из-за низкой эффективности используемых в данном ЭОП газопоглотителей и повышенного газоотделения со стенок каналов МКП из-за большой величины рабочего напряжения на МКП, при которой средний потенциал, достигаемый электронами между столкновениями, составляет примерно 72 В, что и обуславливает повышенное газоотделение и приводит к малому отношению сигнал/шум из-за высокой вероятности ионизации выделившихся газов и, соответственно, бомбардировке образовавшимися ионами фотокатода, который испускает вторичные электроны, способствующие возникновению ярких «ионных сцинтилляций», что ухудшает отношение сигнал/шум.

Известен ЭОП, заявка №2007100462/28(000486), принятый за прототип, который не содержит ионно-барьерной пленки и имеет заявленную долговечность 15000 ч. ЭОП содержит заполненный цезием корпус, фотокатод, МКП, приемник изображения, люминесцентный экран, проволочный газопоглотитель, источник питания, индивидуальные газопоглотители в каналах МКП в виде нанесенного в вакууме покрытия на стенки каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, а также индивидуальные газопоглотители между каналами МКП на входной, выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде нанесенного в вакууме покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью.

Использование индивидуальных газопоглотителей в каналах МКП и между каналами МКП в соответствии с данным техническим решением существенно повышает долговечность беспленочного ЭОП 3 поколения, уменьшает рабочее напряжение на МКП и улучшает отношение сигнал/шум. Однако существующая технология изготовления МКП не обеспечивает стабильности состояния входной и выходной поверхностей МКП, а также стабильности состояния поверхностей каналов МКП, что приводит к разбросу по сопротивлению и рабочему напряжению МКП и, соответственно, к разбросу параметров ЭОП по долговечности, величине рабочего напряжения МКП и отношению сигнал/шум.

Таким образом, недостатком данного технического решения является недостаточная стабильность тех высоких технических характеристик, которые достигаются при использовании индивидуальных газопоглотителей в каналах и между каналами МКП.

Задачей изобретения является увеличение срока службы ЭОП без ионно-барьерной пленки с одновременным улучшением отношения сигнал/шум и стабильности технических характеристик ЭОП.

1. Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления ЭОП, состоящем в изготовлении МКП по стандартной технологии из стекла подходящего состава с нанесением на входную и выходную поверхности МКП металлического покрытия из нихрома, обезгаживании МКП в вакууме, изготовлении экрана, термическом и электроном обезгаживании экрана в вакууме, помещении МКП и экрана в корпус ЭОП, формировании фотокатода из полупроводника с GaAs или InGaAs слоем, термической очистке фотокатода при высокой температуре с удалением окисных слоев, активации фотокатода цезием и кислородом по стандартной технологии с осаждением на фотокатод оптимального количества цезия, термическом обезгаживании МКП, экрана и корпуса ЭОП в вакууме, электронном обезгаживании МКП и экрана пучком высокой энергии в корпусе ЭОП в течение длительного времени с принятием мер по сохранению целостности экрана, заполнении цезием корпуса ЭОП, герметизации фотокатода с корпусом ЭОП, активации проволочного Ti/Ta газопоглотителя, испытании ЭОП и сочленении его с источником питания, осуществляют следующее: после изготовления МКП по стандартной технологии на ее входную и выходную поверхности наносят изоляционный или полупроводниковый слой, проводящий слой и второй изоляционный или полупроводниковый слой, далее, после проведения первого электронного обезгаживания МКП и экрана в корпусе ЭОП, формируют индивидуальные газопоглотители в каналах МКП в виде покрытия на стенках каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, а также формируют индивидуальные газопоглотители между каналами МКП на входной, выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью, а после этого проводят второе электронное обезгаживание МКП и экрана в корпусе ЭОП.

2. В известный ЭОП, содержащий заполненный цезием корпус, фотокатод, МКП, приемник изображения, например, люминесцентный экран, проволочный газопоглотитель, источник питания, индивидуальные газопоглотители в каналах МКП в виде покрытия на стенках каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, а также индивидуальные газопоглотители между каналами МКП на входной, выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью в состав ЭОП, введено дополнительное покрытие из изоляционного или полупроводникового слоя, проводящего слоя и второго изоляционного или полупроводникового слоя, нанесенное на входную и выходную поверхности МКП.

Предлагаемые решения, на наш взгляд, являются новыми и не следуют явным образом из уровня техники, т.к. влияние совокупности отличительных признаков на технический результат из уровня техники не известен.

На фиг.1 схематично показан технологический процесс изготовления ЭОП в соответствии с предлагаемым решением.

На фиг.2 схематично показан разрез предлагаемого ЭОП.

На фиг.3 показаны графики универсальной кривой усиления МКП.

На фиг.4 схематично показан разрез предлагаемого ЭОП в увеличенном масштабе.

В соответствии с фиг.1 на этапе 1 производят изготовление МКП по стандартной технологии из стекла подходящего состава с нанесением на входную и выходную поверхности МКП металлического покрытия из нихрома. На этапе 2 на входную и выходную поверхности МКП производят нанесение изоляционного или полупроводникового слоя, проводящего слоя и второго изоляционного или полупроводникового слоя, например слоя окисла металла, слоя чистого металла и второго слоя окисла металла по известному способу, например, способом электронно-лучевого напыления. Необходимость нанесение изоляционного или полупроводникового слоя, проводящего слоя и второго изоляционного или полупроводникового слоя на входную и выходную поверхности МКП объясняется тем, что существующая технология изготовления МКП не обеспечивает стабильности состояния входной и выходной поверхностей МКП, а также стабильности состояния поверхностей каналов МКП, что приводит к разбросу по сопротивлению и рабочему напряжению МКП. Использование индивидуальных газопоглотителей в каналах МКП и между каналами МКП в соответствии с заявкой №2007100462/28 (000486) существенно повышает долговечность ЭОП, уменьшает рабочее напряжение на МКП и улучшает отношение сигнал/шум. Однако нестабильность состояния входной и выходной поверхностей МКП и ее каналов даже при использовании индивидуальных газопоглотителей приводит к разбросу параметров ЭОП по долговечности, величине рабочего напряжения МКП и отношению сигнал/шум. Из опыта изготовления многощелочных фотокатодов известно, что для обеспечения стабильности параметров формируемых фотокатодов на стеклянную подложку первоначально наносят какое-либо вещество, позволяющее снизить влияние состояния поверхности стеклянной подложки на параметры формируемых фотокатодов. Обычно для этих целей используют окись алюминия (Al₂O₃) или окись кремния (SiO). В предлагаемом решении, для снижения влияние состояния поверхностей МКП, предлагается использовать несколько слоев наносимых веществ, что связано с необходимостью подачи напряжения на МКП. Было проведено опробование нескольких типов покрытий. Наиболее стабильные результаты были получены при нанесении тройного покрытия, состоящего из окиси алюминия (Al₂O₃), циркония (Zr) и второго слоя окиси алюминия (Al₂O₃). По-видимому, можно подобрать покрытия, дающие несколько лучшие результаты, но и использованные покрытия показали хороший результат и обеспечили решение поставленной задачи. Однако для дальнейшего улучшения параметров ЭОП покрытие 24 может иметь большее количество слоев чем три, например, может быть использовано дополнительное просветляющее покрытие, состоящее из нескольких слоев. При использовании тройного покрытия (Al₂O₃; Zr; Al₂O₃) и использовании индивидуальных газопоглотителей разброс по величине рабочего напряжения МКП составил 400 В÷450 В, а без использования тройного покрытия (Al₂O₃; Zr; Al₂O₃), т.е. при использовании только индивидуальных газопоглотителей, составлял 450 В÷650 В, т.е. уменьшился в 4 раза. Средняя величина рабочего напряжения МКП уменьшилась с 550 В до 425 В, т.е. средний потенциал, достигаемый электронами между столкновениями, снижается с 20 В до 12 В. Учитывая, что минимальный потенциал ионизации остаточных газов составляет 12,5 В (O₂), то при рабочем напряжении МКП, равном 425 В, и, соответственно, среднем потенциале, достигаемом электронами между столкновениями 12 В, ионизация остаточных газов будет минимальная, что позволяет дополнительно увеличить долговечность ЭОП, улучшить отношение сигнал/шум и повысить стабильность технических характеристик ЭОП. При уменьшении количества образующихся ионов, кроме увеличения долговечности ЭОП, и улучшении отношения сигнал/шум будет улучшена частотно-контрастная характеристика и снижен уровень темнового фона ЭОП. На этапе 3 производится термическое обезгаживание МКП по стандартной технологии. На этапе 4 производится изготовление экрана по известной технологии. На этапе 5 производятся термическое и электронное обезгаживания экрана. При использовании для изготовления ЭОП технологии двойного сочленения, т.е. при герметизации фотокатода с одной стороной корпуса ЭОП и второй герметизации экрана с другой стороной корпуса ЭОП, можно проводить обезгаживание экрана отдельно от корпуса ЭОП, а корпус ЭОП обезгаживать отдельно. При использовании технологии одинарного сочленения, т.е. только при герметизации фотокатода с корпусом ЭОП, целесообразно обезгаживание экрана проводить уже в сочлененном с корпусом ЭОП состоянии. Проведение обезгаживания экрана отдельно от корпуса ЭОП или совместно с корпусом ЭОП не является принципиальным для данного технического решения и может проводится любым способом. На этапе 6 производится установка МКП и экрана в корпус ЭОП. На этапе 7 производится изготовление фотокатода по стандартной технологии. На этапе 8 производится тщательная термическая очистка фотокатода при высокой температуре с удалением окисных слоев и активация фотокатода цезием и кислородом по стандартной технологии с осаждением на фотокатод оптимального количества цезия. На этапе 9 производится термическое обезгаживание корпуса ЭОП, МКП и экрана. На этапе 10 производится первая электронная очистка МКП и экрана пучком высокой энергии в корпусе ЭОП в течение длительного времени с принятием мер по сохранению целостности экрана. На этапе 11 производится формирование первых индивидуальных газопоглотителей в каналах МКП в виде покрытия на стенках каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, а также производится формирование вторых индивидуальные газопоглотителей между каналами МКП на входной, выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью. На этапе 12 производится вторая электронная очистка МКП и экрана. На этапе 13 производят заполнение корпуса ЭОП цезием по стандартной технологии. На этапе 14 производят герметизацию фотокатода с корпусом ЭОП по стандартной технологии. На этапе 15 проводят активацию Ti/Та проволочного газопоглотителя, контроль параметров ЭОП и заключительные операции по сочленению ЭОП с источником питания.

На фиг.2 показан ЭОП, содержащий фотокатод 16, МКП 17, люминесцентный экран 18, корпус 19, проволочный газопоглотитель 20 и источник питания 21. Фотокатод 16 на поверхности, обращенной к входу МКП 17, имеет полупроводниковую структуру, в описываемом случае состоящую из соединения GaAs или InGaAs, активированного окисью цезия Cs:O. На электроды ЭОП поданы напряжения от источника питания 21. Обычно данные напряжения имеют следующие величины: напряжение между фотокатодом 16 и входной поверхностью МКП 17 составляет 800 В (при использовании на входной поверхности МКП 17 ионно-барьерной пленки), напряжение на МКП 17 обычно составляет от 800 В до 1100 В, напряжение экрана 18 обычно составляет от 4000 В до 6000 В. Так как в соответствии с настоящим изобретением на входной поверхности МКП 17 не требуется защитной ионно-барьерной пленки, то величина напряжения между фотокатодом 16 и входной поверхностью МКП 17 может устанавливаться от 50 В до 200 В. Напряжение на МКП 17 устанавливается примерно 425 В. При такой величине напряжения на МКП 17 усиление МКП 17 в соответствии с настоящим изобретением будет примерно соответствовать величине усиления, которое обеспечивает обычная МКП с напряжением, равным примерно 1040 В. Графики усиления обычной МКП приведены на универсальной кривой усиления МКП, фиг.3.

Теперь обратимся к схематическому изображению разреза ЭОП, представленному на фиг.2 и 4, и поясним, почему в предлагаемом изобретении не требуется использовать ионно-барьерную пленку на входной поверхности МКП 17. Фотоэлектроны, выходящие из фотокатода 16, в ответ на принятые фотоны попадают в каналы 22 МКП 17. Каналы 22 имеют индивидуальные газопоглотители в виде покрытия 23 на стенках каналов 22. Под покрытием 23 нанесено тройное покрытие 24 (Al₂O₃; Zr; Al₂O₃), которое, как и стандартная металлизация на входной поверхности МКП 17, заходит в канал 22 на глубину, примерно равную 0,3÷0,8 диаметра канала 22. На выходной поверхности МКП 17, также нанесено покрытие 24, которое, как и стандартная металлизация, заходит в каналы 22 на глубину, примерно равную 1,5÷3 диаметра канала. Здесь необходимо отметить, что глубина нанесения покрытия 24 в каналах 22 для настоящего технического решения не имеет решающего значения и может находиться в диапазоне от 0,01 диаметра канала 22 до нескольких десятков диаметров канала 22. В качестве покрытия 23 должно быть использовано вещество или соединение из двух или более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы. Из практики фотоэлектронных приборов известно, что эффективными эмиттерами вторичных электронов является большинство типов фотокатодов. С точки зрения вторичной электронной эмиссии исследованы сурьмяно-цезиевые, висмуто-цезиевые, теллуро-цезиевые, двухщелочные, многощелочные эмиттеры, а также эмиттеры на базе материалов с отрицательным электронным сродством. Все данные эмиттеры по коэффициенту вторичной эмиссии значительно превосходят покрытие, которое используется в известных МКП и имеет коэффициент вторичной эмиссии порядка 1,5. Так, например, сурьмяно-цезиевый эмиттер имеет коэффициент вторичной эмиссии порядка 5÷6 при Е_р=100 эВ, многощелочные - порядка 7÷8 при Е_р=100 эВ, и эмиттеры на базе материалов с отрицательным электронным сродством порядка 10÷90.

Также известно, что высокими сорбционными свойствами обладают цезий, барий, цирконий и ряд других веществ и их соединений. Также при выборе покрытий необходимо учитывать проводящие свойства пленок, величину коэффициента вторичной эмиссии и другие свойства, т.к. их нанесение на стенки каналов 22 приведет к изменению сопротивления, рабочего напряжения и других параметров МКП 17. Также необходимо учитывать фотоэмиссионные, термоэлектронные и другие свойства покрытия и их влияния на характеристики ЭОП. Так как в качестве покрытия 23 можно использовать достаточно большое количество различных соединений, то дальнейшее описание будет проведено применительно к использованию сурьмяно-цезиевого эмиттера в виде устойчивого соединения Cs₃Sb, которое обладает высокой сорбционной способностью и большим коэффициентом вторичной эмиссии.

Покрытие 23, при использовании соединения Cs₃Sb, имеет коэффициент вторичной эмиссии, примерно равный 6, поэтому каждый фотоэлектрон в среднем образует, ориентировочно, шесть вторичных электронов. Высокая эффективность первого соударения и высокий коэффициент вторичной эмиссии позволяют снизить рабочее напряжение МКП 17 примерно с 1040 В до 425 В при одинаковом коэффициенте усиления МКП 17. Это снижает средний потенциал, достигаемый электронами между столкновениями, с 72 В до 12 В, что приводит к уменьшению газоотделения со стенок каналов 22 при их бомбардировке вторичными электронами и значительно снижает вероятность образования ионов. Кроме того, соединение Cs₃Sb в качестве покрытия 23 стенок каналов 22 МКП 17 более чем на порядок эффективнее, чем наполнение корпуса ЭОП цезием, как предлагается в прототипе и других известных решениях. В случае наполнения корпуса ЭОП цезием можно создать только монослой, который не образует устойчивых соединений с веществами, находящимися на внутренних поверхностях корпуса ЭОП, и имеет в десятки раз меньшую сорбционную способность и эффективность действия, чем устойчивое соединение Cs₃Sb на стенках каналов 22. Газопоглотители 23 нанесены на покрытие 24, что повышает стабильность их характеристик и обеспечивает высокую газопоглотительную способность и стабильность вторично эмиссионных свойств, а т.к. газопоглотители установлены именно в местах газовыделения, то это дополнительно увеличивает их эффективность. При соударении фотоэлектронов или вторичных электронов со стенками каналов 22 из них десорбируются газы, которые поглощаются покрытием 23. Для обеспечения оптимального газопоглощения покрытие 23 на стенках каналов 22 должно наноситься в высоком вакууме, желательно, лучше, чем 1×10^-7 Па. В этом случае покрытие 23 практически вообще не будут содержать замурованных и растворенных газов, поэтому электроны, ударяющиеся в покрытие 23, вообще не будут вызывать десорбцию газов, так как покрытия 23 и 24 «экранируют» стенки каналов 22. Для придания еще более высокой газопоглотительной способности покрытию 23 и меньшему газовыделению из покрытий 23 и 24 на этапе 12 производится второе электронное обезгаживание покрытий 23 и 24.

При нанесении на МКП покрытия 23 оно, кроме каналов 22, попадает на промежутки между каналами 22, на которые нанесено покрытие 24. Т. к. покрытие 23 нанесено в высоком вакууме и не содержит растворенных и замурованных газов, то газовыделения, при бомбардировке этих промежутков фотоэлектронами, практически не будет. Покрытие 24 дополнительно экранирует поверхность промежутков, поэтому фотоэлектроны не могут достигнуть поверхности промежутков самой МКП, что дополнительно уменьшает газовыделение. Т к. покрытие 23 имеет большой коэффициент вторичной эмиссии, то при ударении фотоэлектронов в эти промежутки возникает большое количество вторичных электронов, но так как вторичные электроны имеют малую среднюю энергию, порядка 1,5 эВ, то это не приводит к увеличению ореола вокруг основного изображения. Исключение с входной поверхности МКП 17 ионно-барьерной пленки позволяет уменьшить величину напряжения между фотокатодом 16 и входной поверхностью МКП 17 с 800 В до 50 В ÷ 200 В с одновременным уменьшением расстояния между фотокатодом 16 и входной поверхностью МКП 17 с 200-250 мкм до 30-50 мкм, что уменьшает ореол и позволяет получить прибор с меньшим ореолом, чем в известных приборах, в которых используется ионно-барьерная пленка. Само же покрытие 23 на входной поверхности МКП 17 играет роль дополнительного газопоглотителя и эффективно поглощает газы в промежутке между фотокатодом 16 и входной поверхностью МКП 17. При необходимости на покрытие 23, расположенное на входной поверхности МКП 17, между каналами 22, можно нанести слой вещества, обладающий малым коэффициентом вторичной эмиссии, который нужно наносить под малым углом к входной поверхности МКП 17 так, чтобы данное вещество не попадало в каналы 22.

Использование при изготовлении ЭОП технологии двойного сочленения, т.е. герметизации фотокатода 16 с одной стороной корпуса 19 ЭОП и герметизации экрана 18 с другой стороной корпуса 19 ЭОП, позволяет наносить покрытие 23 в каналы 22 МКП 17 со стороны выходной поверхности МКП 17 и также позволяет наносить покрытие 25 на люминесцентный экран 18. Покрытие 23, наносимое на стенки каналов 22 со стороны выходной поверхности МКП 17, должно иметь примерно такие же характеристики, что и покрытие, наносимое со стороны входной поверхности МКП 17. Отличие заключается лишь в том, что покрытие 23, нанесенное на выходной поверхности МКП 17 в промежутках между каналами 22, не подвергается электронной бомбардировке в процессе работы ЭОП. При необходимости на данное покрытие можно нанести дополнительные покрытия из других веществ или их соединений, что позволяет дополнительно улучшить характеристики ЭОП. Также для нанесения покрытия 22 со стороны выходной поверхности МКП 17 можно использовать другие типы покрытий, например, обладающие меньшим коэффициентом вторичной эмиссии, но большей сорбционной способностью.

Покрытие 25, наносимое на экран 18, должно, в основном, обладать высокими сорбционными свойствами для обеспечения поглощения газов, выходящих из экрана 18 при его электронной бомбардировке. Покрытие 25 также должно наноситься в условиях высокого вакуума и его также можно улучшить путем термического и электронного обезгаживания.

Теперь рассмотрим геометрию покрытий 23, 24 и 25. Хотя геометрические размеры покрытий не имеют принципиального значения для реализации настоящего изобретения и улучшение параметров ЭОП будет обеспечено при использовании рекомендаций известных из соответствующей технической литературы, необходима некоторая конкретизация из-за специфики использовании покрытий 23, 24 и 25. Глубину покрытия 23 в каналах 22 МКП 17 необходимо выбирать с учетом проводимости наносимой пленки. При использовании соединения Cs₃Sb глубина нанесения покрытия 23 в каналах 22 может составлять от нескольких единиц величины диаметра канала до нескольких десятков величины диаметра канала, причем без обеспечения специальных мер (расположение наносимого вещества относительно МКП с учетом угла наклона каналов, использование вращения и т.п.), глубина нанесения покрытия в канале будет неравномерной. Толщина покрытия 23 будет изменяться по глубине каналов 22 от нулевой величины до нескольких сотен или тысяч ангстрем. При использовании в качестве газопоглотителя в каналах 22 определенных типов покрытий 23 данные покрытия 23 могут наноситься по всей длине каналов 22. Толщина покрытия 24 (Al₂O₃; Zr; Al₂O₃) может изменяться от сотен ангстрем до нескольких тысяч ангстрем, причем толщина слоев Al₂O₃ составляет единицы или десятки процентов от общей толщины данного покрытия. Толщина покрытия 25 на экране 18 должна выбираться с учетом уменьшения энергии электронов при прохождении покрытия 25 и может изменяться от нескольких сот до нескольких тысяч ангстрем. При нанесении покрытия 23 и 25 также желательно учитывать тот факт, что электроны могут рассеиваться, поэтому покрытие на МКП 17 и экране 18 целесообразно выполнять с некоторым запасом по площади. В явлении газопоглощения могут быть использованы также все другие поверхности ЭОП, например внутренние элементы корпуса ЭОП, на которые могут быть нанесены какие-либо типы покрытий, которые имеют высокие сорбционные свойства и которые не нарушают работу ЭОП.

Покрытие 25 на экране 18 действует несколько иначе, чем покрытие 23 на МКП 17. Дело заключается в том, что электроны, выходящие из МКП 17, пробивают покрытие 25 и попадают на люминесцентный экран 18, из которого будут адсорбироваться газы. В этом случае покрытие 25 будет поглощать выходящие из экрана 18 газы в основном поверхностью, которая непосредственно прилегает к экрану 18, а другая поверхность покрытия 25 будет эффективно поглощать газы, находящиеся в промежутке между выходной поверхностью МКП 17 и покрытием 25, нанесенным на экран 18. Покрытие 23, нанесенное на стенки каналов 22 и на входную поверхность МКП 17, расположенную между каналами, будет действовать следующим образом. Фотоэлектроны, испускаемые фотокатодом 16, и вторичные электроны, образующиеся в каналах 22 МКП 17, имеют значительно меньшую энергию, чем электроны, бомбардирующие экран 18, поэтому энергия этих электронов будет недостаточная, чтобы пройти сквозь покрытия 23 и 24. Поэтому покрытия 23 и 24 также выполняют роль экранирующих покрытий, которые препятствуют соударению электронов с непокрытыми поверхностями каналов 22. Поскольку покрытия 23, 24 и 25 наносятся в условиях высокого вакуума, то газоотделение из вещества этих покрытий при их бомбардировке электронами будет очень мало (в разы и десятки раз меньше, чем из непокрытых стенок каналов 22 МКП 17), и малые количества газа будут поглощаться покрытием 23. Покрытия 23 и 25 имеют более сложный состав, чем указано выше. В соответствии с данными, известными из опубликованных работ, система (CsSb) может содержать 8 видов соединений:

Cs₃Sb, Cs₃Sb₂; Cs₂Sb, Cs₃Sb₂, Cs₅Sb₄, CsSb, CsSb₂ и Cs₃Sb₇. При синтезе Cs₃Sb, данная система проходит через образование всех соединений от Cs₃Sb₇ до Cs₃Sb, поэтому в соединении Cs₃Sb могут присутствовать какие-то другие соединения данной системы. При избытке цезия наблюдается эвтектическое равновесие в виде соединения (Cs₃Sb+Cs). Наиболее устойчивым соединением в системе (CsSb) является соединение в виде Cs₃Sb, которое в основном и синтезируется при образовании покрытий 23 и 25. Поскольку практически невозможно обеспечить 100% стехиометрию выше указанного соединения, то на практике его принято обозначать в виде соединения Cs₃Sb. В состав этого соединения могут быть введены какие-либо дополнительные вещества, повышающие сорбционную емкость и термостойкость, что не противоречит сути настоящего изобретения.

Также известно, что соединение Cs₃Sb обладает фотоэмиссионными свойствами, т.е. испускает электроны при его облучении фотонами, что несколько повышает интегральную чувствительность прибора. Однако это повышение мало, так как фотокатод на базе GaAs имеет малый коэффициент пропускания в области чувствительности соединения Cs₃Sb. При необходимости фотоэмиссионные свойства соединения Cs₃Sb можно существенно уменьшить путем термического прогрева.

Теперь рассмотрим работу ЭОП с учетом действия покрытий 23, 24, и 25. Фотоэлектроны, выходящие из фотокатода 16, под действием поля ускоряются к входной поверхности МКП 17 и попадают на покрытие 23 в каналах 22 и на покрытие 23 в промежутках между каналами 22. Так как энергия фотоэлектронов мала, порядка 50-200 эВ, то фотоэлектроны не могут пробить насквозь покрытие 23 и тем более покрытие 24. Покрытие 23 нанесено в высоком вакууме и практически не содержит в своем объеме какие-либо газы, а поверхностные газы, попадающие на покрытие 23 из объема прибора, поглощаются этим покрытием 23. Таким образом, покрытие 23 в каналах 22 при ударении в него фотоэлектронов формирует в основном вторичные электроны в количестве, пропорциональном коэффициенту вторичной эмиссии покрытия 23. Нанесение покрытия 23 на трехслойное покрытие 24 стабилизирует свойства покрытия 23, что обеспечивает более стабильные параметра самого ЭОП. Как было указано выше, напряжение на МКП 17 снижается примерно с 1040 В до 425 В, что снижает средний потенциал, достигаемый электронами между столкновениями, с 72 В до 12 В, что приводит к уменьшению газоотделения со стенок каналов 22 при их бомбардировке вторичными электронами и значительно снижает вероятность образования ионов. Далее вторичные электроны продвигаются под действием поля внутри каналов 22 к выходной поверхности МКП 17, увеличиваясь в количестве после каждого соударения с покрытием 23. Если вторичные электроны будут ударять в непокрытую часть канала 22, то со стенки канала 22 будут десорбироваться газы, которые будут поглощаться покрытием 23 в тех местах каналов 22, на которых нанесено покрытие 23. Так как покрытие 23 на стенках каналов 22, как указано выше, обычно получается неравномерным как по глубине, так и по толщине, то в каналах МКП 17 возникают поперечные электрические поля, которые воздействуют на те немногочисленные образованные ионы и заставляют их попадать на покрытие 23 стенок каналов 22. Покрытие 23 сорбирует эти положительные ионы, вступая с ними в физико-химическое взаимодействие. Таким образом, практически из каналов 22 при работе ЭОП не будет происходить газовыделение в объем прибора и, соответственно, на фотокатод 16 не будут осаждаться как нейтральные газы, так и положительные ионы. Вторичные электроны выходят из МКП 17 на значительно более высоком уровне плотности и под действием ускоряющего поля ускоряются к экрану 18. Вторичные электроны пробивают покрытие 25, нанесенное на экран 18, пленку окиси алюминия, пленку алюминия, и ударяются в люминофорное покрытие экрана 18, которое преобразует энергию электронов в видимое изображение подобное тому, которое было спроецировано на фотокатод 16 на значительно более высоком уровне яркости. Газы, выделяющиеся из пленки окиси алюминия, пленки алюминия, люминесцентного покрытия и стекла экрана 18, будут поглощаться покрытием 25, нанесенным на экран 18, и не будут десорбироваться в объем прибора, и, следовательно, не будут осаждаться на фотокатод 16 в виде нейтральных газов и положительных ионов. Сумма площадей покрытий 23 и 25 может достигать 100 см² и более, что, по-видимому, является рекордным достижением по соотношению площади газопоглотителя к объему прибора для всех типов электровакуумных приборов. Емкость газопоглощения будет зависеть как от площади, структуры поверхности покрытия, так и от его объема.

В заключении необходимо отметить, что использование столь эффективного газопоглотителя, как Cs₃Sb, ни в коей мере не снижает требования к самому тщательному обезгаживанию как МКП, так и всех узлов ЭОП. Только использование всех мер по очистке всех узлов ЭОП от остаточных газов в совокупности с предлагаемыми решениями позволяет получить срок службы ЭОП более 20000 ч без использования ионно-барьерной пленки на входной поверхности МКП 17.

Из выше приведенного описания настоящего изобретения должно быть понятно, что в качестве материалов газопоглотителя могут быть использованы любые вещества или их соединения, которые имеют высокую сорбционную способность и коэффициент вторичной эмиссии больше единицы, например соединение в виде KNa₂Sb/Cs₃Sb, которое имеет более высокие характеристики, чем соединение Cs₃Sb, использование которого описано в качестве примера, или соединение Cs₂Te, которое также обладает высокими поглощающими свойствами, что не противоречит сути изобретения, а является примером его конкретного воплощения. Также нужно понимать, что использование предлагаемого газопоглотителя в каналах МКП может быть использовано с любым типом фотокатода, например, с многощелочным, «солнечнослепым» или любого другого типа, что позволяет улучшить технические характеристики таких приборов. Здесь также необходимо отметить, что использование тройного покрытия (Al₂O₃; Zr; Al₂O₃) даже без использования газопоглотителей в каналах МКП позволяет существенно улучшить параметры ЭОП. Проведенная практическая проверка показала, что использование тройного покрытия (Al₂O₃; Zr; Al₂O₃) без газопоглотителей в каналах и между каналами МКП уменьшает рабочее напряжение МКП на 15÷20%, улучшает отношение сигнал/шум и увеличивает чувствительность фотокатода. В связи с изложенным необходимо понимать, что в соответствии с настоящим изобретением не обязательно использовать все предлагаемые технические решения, можно, например, использовать только предлагаемые газопоглотители в каналах МКП и делать это для различных типов приборов, например ФЭУ или детекторах фотонов, что тоже позволит улучшить технические характеристики этих приборов и это также не противоречит настоящему изобретению, а является примером его конкретного воплощения. Можно использовать только изолирующие или полупроводниковые и проводящие покрытия, которые существенно улучшают параметры ЭОП. Описание примера использования изобретения проведено применительно к ЭОП 3 поколения, так как предлагаемые решения в описанном примере позволяют получить наиболее высокие технические характеристики. Также предлагаемые решения могут быть использованы с фотокатодом на основе InGaAsP или при использовании для изготовления фотокатода других тройных или больших соединений. Во всех выше перечисленных воплощениях технические характеристики приборов будут существенно улучшены за счет использования технических решений, предлагаемых настоящим изобретением, и будут его конкретным воплощением.

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к способу изготовления электронно-оптического преобразователя (ЭОП), содержащего микроканальную пластину (МКП) и источник питания, а также к созданию ЭОП. ЭОП используются в приборах ночного видения (ПНВ), в детекторах фотонов, в приборах для научных исследований, в приборах для медицины и других областях техники. Техническим результатом изобретения является увеличение срока службы ЭОП без ионно-барьерной пленки с одновременным улучшением отношения сигнал/шум и стабильности технических характеристик ЭОП. ЭОП, состоящий в изготовлении МКП по стандартной технологии из стекла подходящего состава содержит заполненный цезием корпус, фотокатод, МКП, приемник изображения, проволочный газопоглотитель, источник питания, первые индивидуальные газопоглотители в каналах МКП в виде покрытия на стенках каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, вторые индивидуальные газопоглотители между каналами МКП на входной и выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью, при этом в состав ЭОП введено дополнительное покрытие из изоляционного или полупроводникового слоя, проводящего слоя и второго изоляционного или полупроводникового слоя, нанесенное на входную и выходную поверхности МКП. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления электронно-оптического преобразователя (ЭОП), состоящий в изготовлении микроканальной пластины (МКП) по стандартной технологии из стекла подходящего состава с нанесением на входную и выходную поверхности МКП металлического покрытия из нихрома, обезгаживании МКП в вакууме, изготовлении экрана, термическом и электроном обезгаживании экрана в вакууме, помещении МКП и экрана в корпус ЭОП, формировании фотокатода из полупроводника с GaAs или InGaAS слоем, термической очистке фотокатода при высокой температуре с удалением окисных слоев, активации фотокатода цезием и кислородом по стандартной технологии с осаждением на фотокатод оптимального количества цезия, термическом обезгаживании МКП, экрана и корпуса ЭОП в вакууме, электронном обезгаживании МКП и экрана пучком высокой энергии в корпусе ЭОП в течение длительного времени с принятием мер по сохранению целостности экрана, заполнении цезием корпуса ЭОП, герметизации фотокатода с корпусом ЭОП, активации проволочного Ti/Ta газопоглотителя, испытании ЭОП и сочленении его с источником питания, отличающийся тем, что после изготовления МКП по стандартной технологии на ее входную и выходную поверхности наносят изоляционный или полупроводниковый слой, проводящий слой и второй изоляционный или полупроводниковый слой, далее после проведения первого электронного обезгаживания МКП и экрана в корпусе ЭОП формируют индивидуальные газопоглотители в каналах МКП в виде покрытия на стенках каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, а также формируют индивидуальные газопоглотители между каналами МКП на входной, выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью, после этого проводят второе электронное обезгаживание МКП и экрана в корпусе ЭОП.

2. Электронно-оптический преобразователь (ЭОП), содержащий заполненный цезием корпус, фотокатод, микроканальную пластину (МКП), приемник изображения, например люминесцентный экран, проволочный газопоглотитель, источник питания, первые индивидуальные газопоглотители в каналах МКП в виде покрытия на стенках каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, вторые индивидуальные газопоглотители между каналами МКП на входной, выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью, отличающийся тем, что в состав ЭОП введено дополнительное покрытие из изоляционного или полупроводникового слоя, проводящего слоя и второго изоляционного или полупроводникового слоя, нанесенное на входную и выходную поверхности МКП.