ПОЛУПРОЗРАЧНЫЙ ФОТОКАТОД С ПОВЫШЕННОЙ СТЕПЕНЬЮ ПОГЛОЩЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H01J1/34 H01J40/06 H01J40/16 

Область техники

Настоящее изобретение относится в целом к области полупрозрачных фотокатодов и касается, в частности, области полупрозрачных фотокатодов с использованием сурьмы и щелочного металла или оксида серебра (AgOCs), которые часто применяются в детекторах электромагнитного излучения, таких, например, как усилители изображения и фотоэлектронные умножители.

Предшествующий уровень техники

Детекторы электромагнитного излучения, например усилители изображения и фотоэлектронные умножители, позволяют обнаруживать электромагнитное излучение и преобразовывать его в световой или электрический выходной сигнал.

Обычно они содержат фотокатод для приема электромагнитного излучения и испускания потока фотоэлектронов в ответ, электронный умножитель для приема упомянутого потока фотоэлектронов и испускания потока так называемых вторичных электронов в ответ и выходное устройство для приема указанного потока вторичных электронов и передачи выходного сигнала в ответ.

Как видно из фиг. 1, такой фотокатод 1 содержит обычно прозрачную подложку 10 и слой 20 из фотоэмиссионного материала, нанесенного на поверхность 12 упомянутого подложки.

Подложка 10 содержит переднюю, так называемую приемную поверхность 11 для приема фотонов падающего излучения и противолежащую заднюю поверхность 12. Подложка прозрачна для фотонов падающего излучения и, следовательно, имеет коэффициент пропускания, близкий к единице.

Фотоэмиссионный слой 20 имеет верхнюю поверхность 21, контактирующую с задней поверхностью 12 подложки 10, и противолежащую нижнюю поверхность 22, так называемую эмиссионную, из которой испускаются произведенные фотоэлектроны.

Таким образом с приемной поверхности 11 фотоны проходят через подложку 10 и попадают в фотоэмиссионный слой 20.

Затем в фотоэмиссионном слое 20 они поглощаются и образуют в нем пары электрон-дырка. Произведенные электроны перемещаются до эмиссионной поверхности 22 фотоэмиссионного слоя 20 и испускаются в вакуум. Вакуум действительно создан внутри детектора с тем, чтобы перемещение электронов не возмущалось присутствием молекул газа.

После этого фотоэлектроны ускоряют и направляют к электронному умножителю, такому как пластина с микроканалами или совокупность динодов.

Выход фотокатода, так называемый квантовый выход, традиционно определяется как соотношение между количеством излученных фотоэлектронов и количеством принятых фотонов падающего излучения.

Этот выход зависит, в частности, от длины волны фотонов падающего излучения и толщины фотоэмиссионного слоя.

В порядке пояснения, для фотокатода типа S25 квантовый выход составляет около 15% при длине волны 500 нм.

Точнее, квантовый выход зависит, как уже упоминалось ранее, от трех основных этапов процесса фотоэмиссии: поглощения фотона падающего излучения и образования пары электрон-дырка; переноса произведенного электрона до эмиссионной поверхности фотоэмиссионного слоя; испускания электрона в вакуум.

Каждый из этих трех этапов имеет свой выход, произведение трех выходов, определяющих квантовый выход фотокатода.

Однако выходы этапов поглощения и переноса прямо зависят от толщины фотоэмиссионного слоя.

Следовательно, выход ε_a этапа поглощения является возрастающей функцией толщины фотоэмиссионного слоя. Чем толще фотоэмиссионный слой, тем больше соотношение между количеством поглощенных фотонов и количеством фотонов падающего излучения. Фотоны, которые не поглощены, пропускаются через фотоэмиссионный слой.

Напротив, выход ε_t фазы переноса, т.е. соотношение между количеством электронов, достигших эмиссионную поверхность, и количеством произведенных электронов, является убывающей функцией толщины фотоэмиссионного слоя. Чем больше толщина слоя, тем меньше выход ε_t. В действительности, произведенные фотоны имеют тем больше возможностей для рекомбинации с дырками, чем больше их пробегаемое расстояние.

Поэтому существует оптимальная толщина, которая максимизирует произведение степени поглощения ε_а на величину переноса ε_t и, следовательно, квантовый выход.

В качестве иллюстрации, для фотокатода типа S25, часто применяемого в усилителях изображения, оптимальная толщина фотоэмиссионного слоя из SbNaK или SbNa₂KCs составляет обычно от 50 до 200 нм.

На фиг. 2 для такого фотоэмиссионного слоя показаны динамика степени поглощения ε_а в зависимости от длины волны фотонов падающего излучения, степени отражения εʺ фотонов падающего излучения и пропускание ε' этих фотонов через фотоэмиссионный слой.

Представляется, что при большой длине волны, в частности при длине волны, близкой к пороговому значению фотоэмиссии, степень поглощения ε_а резко снижается, а степень пропускания ε' возрастает.

Следовательно, для фотонов падающего излучения с длиной волны 800 мкм только 40% из них поглощаются, а 60% пропускаются через фотоэмиссионный слой.

Для уменьшения степени пропускания фотоэмиссионного слоя в пользу поглощения для увеличения квантового выхода, в частности при больших длинах волн, решение может заключаться в увеличении толщины указанного слоя.

Таким образом увеличение толщины упомянутого фотоэмиссионного слоя до 280 нм приводит при длине волны 800 мкм к степени поглощения в размере 64% вместо 40% и к степени пропускания, снизившейся до 36%.

Однако это вызывает резкое снижение степени переноса, поскольку произведенным электронам приходится пробегать большее расстояние до эмиссионной поверхности фотоэмиссионного слоя и, следовательно, появляется больше возможностей для рекомбинации.

Поэтому увеличение толщины фотоэмиссионного слоя, при котором хотя и повышается степень поглощения, не ведет к росту квантового выхода, в частности, при больших длинах волны, так как степень переноса убывает.

Сущность изобретения

Основной задачей изобретения является создание полупрозрачного фотокатода для детектора фотонов, содержащего фотоэмиссионный слой с повышенной степенью поглощения фотонов падающего излучения и сохраняющейся степенью переноса электронов.

Для достижения этой задачи предметом изобретения является полупрозрачный фотокатод, предназначенный для детектора фотонов, содержащий:

- прозрачную подложку с передней поверхностью для приема указанных фотонов и с противоположной задней поверхностью,

- фотоэмиссионный слой, расположенный напротив упомянутой передней поверхности и содержащий противоположную эмиссионную поверхность для приема упомянутых фотонов, поступающих с указанного слоя подложки и подлежащих испусканию в ответ на фотоэлектроны, поступающие с названной эмиссионной поверхности.

Согласно изобретению указанный фотокатод содержит дифракционную решетку для дифракции при пропускании, способную вызывать дифракцию этих фотонов и расположенную в подложке на уровне задней поверхности.

Под полупрозрачным фотокатодом подразумевается фотокатод, фотоэлектроны которого испускаются с эмиссионной поверхности, расположенной напротив поверхности для приема фотонов падающего излучения. Он отличается от так называемых непрозрачных фотокатодов, для которых электроны испускаются с приемной поверхности фотонов.

Подложка считается прозрачной, так как она обеспечивает пропускание фотонов падающего излучения. Коэффициент пропускания подложки или соотношение между пропущенными фотонами и принятыми фотонами приближается к единице или равно ей.

Таким образом фотоны падающего излучения проникают в подложку через так называемую приемную переднюю поверхность и проходят через нее до противоположной задней поверхности.

На дифракционной решетке происходит их дифракция в направлении фотоэмиссионного слоя.

В фотоэмиссионный слой они проникают под углом дифракции, существенно отличающимся от угла падения.

По определению углы падения, дифракции и рефракции фотонов измеряются по отношению к нормали на рассматриваемой поверхности. Следовательно, упомянутые выше углы падения и дифракции определяют по отношению к нормали на задней поверхности подложки, на уровне которой находится дифракционная решетка.

Когда фотон попадает на дифракционную решетку при угле падения, равном по существу нулю, то он проникает в фотоэмиссионный слой под углом дифракции, не равном нулю. В целом при заданном распределении угла падения отмечается существенно более вытянутое распределение угла дифракции.

Таким образом при толщине фотоэмиссионного слоя, отмеченной позицией е и замеренной в направлении ее толщины, кажущаяся средняя толщина для фотонов составляет e.E(1/|cosα_d|), где: α_d - угол дифракции фотонов, Е(.) - средняя величина углового распределения угла дифракции фотонов.

Степень поглощения фотоэмиссионного слоя превышает степень поглощения фотокатода, известного из приведенного выше уровня техники, поскольку она является возрастающей функцией толщины, в данном случае кажущейся толщины, фотоэмиссионного слоя.

Кроме того, степень переноса остается сохраненной, поскольку она зависит не от кажущейся толщины фотоэмиссионного слоя, видимого фотонами, а от фактической толщины этого слоя. В самом деле, в том случае, когда фотоны образуют пары электрон-дырка, то образовавшиеся электроны перемещаются до эмиссионной поверхности независимо от направления предварительного распространения фотонов.

Таким образом фотокатод согласно изобретению обладает повышенной степенью поглощения фотонов и сохраняющейся степенью переноса электронов.

Это позволяет увеличить квантовый выход фотокатода.

Следует отметить, что квантовый выход при больших длинах волн, т.е. близких к пороговому значению фотоэмиссии, существенно повышается в связи с тем, что фотоны при таких длинах волны обладают тенденцией согласно приведенному выше примеру из уровня техники к большему пропусканию, а не к поглощению.

Дифракционная решетка предпочтительно выгравирована на задней поверхности подложки.

Эта дифракционная решетка расположена предпочтительно так, что она, по меньшей мере, частично ограничивает заднюю поверхность подложки.

Дифракционная решетка образуется предпочтительно путем периодического выполнения рисунков, заполненных материалом с показателем преломления, отличающимся от материала подложки.

Под рисунками понимаются вырезы или надрезы или выемки или разрезы или бороздки синусоидальной, скалярной, трапецеидальной формы, выполненные в подложке.

Предпочтительно разница между показателями преломления материала дифракционной решетки, в котором выполнены мотивы, с одной стороны, и материала подложки, с другой стороны, превышает или равна 0,2.

Предпочтительно шаг решетки и/или материал дифракционной решетки выбираются таким образом, чтобы фотоны подвергались дифракции в фотоэмиссионном слое под углом, строго превышающим arcsin(1/n_p).

Согласно другому варианту выполнения фотокатод содержит, по меньшей мере, одну дополнительную дифракционную решетку, способную вызывать дифракцию названных фотонов, расположенную в подложке вблизи первой дифракционной решетки и образованную периодическим расположением мотивов, заполненных материалом с оптическим преломлением, отличающимся от материала подложки.

Дифракционные решетки ориентированы в разных направлениях и удалены друг от друга на расстояние, пренебрежительное относительно средней толщины подложки. Это расстояние составляет от около одной десятой до десятикратной длины данной волны.

Периодическое размещение рисунков, по меньшей мере, одной указанной дополнительной дифракционной решетки может быть смещено в направлении, перпендикулярном направлению толщины подложки по отношению к размещению упомянутой первой дифракционной решетки.

В качестве альтернативы первая дифракционная решетка и дополнительная дифракционная решетка находятся в одной плоскости.

Фотоэмиссионный слой может содержать сурьму и по меньшей мере один щелочной металл.

Такой фотоэмиссионный слой может быть выполнен из материала, выбранного из SbNaKCs, SbNa₂KCs, SbNaK, SbKCs, SbRbKCs или SbRbCs.

В качестве альтернативы фотоэмиссионный слой может быть изготовлен из AgOCs.

Фотоэмиссионный слой имеет предпочтительно существенно постоянную толщину.

Предпочтительно фотоэмиссионный слой имеет толщину, которая меньше или равна 300 нм.

Также изобретение относится к оптической системе для детектирования фотонов, содержащей фотокатод с любым из предыдущих признаков и выходное устройство для передачи выходного сигнала в ответ на фотоэлектроны, испускаемые этим фотокатодом.

Такая оптическая система может представлять собой усилитель изображения или фотоэлектронный умножитель.

Другие преимущества и признаки изобретения поясняются ниже в подробном, не ограничивающем описании.

Краткое описание чертежей

В качестве не ограничивающих примеров ниже приводится описание вариантов выполнения изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - схематический вид в поперечном разрезе на фотокатод согласно примеру из уровня техники, как уже было описано;

фиг. 2 поясняет пример изменения степени поглощения, передачи и отражения в зависимости от длины волны фотоэмиссионного слоя, составляющей 140 нм, толщины фотокатода типа S25 согласно примеру из уровня техники, как уже описано;

фиг. 3 - схематический вид в поперечном разрезе на фотокатод согласно предпочтительному первому варианту выполнения изобретения;

фиг. 4 - схематический увеличенный вид в поперечном разрезе части фотокатода на фиг. 3;

фиг. 5 поясняет пример изменения квантового выхода в зависимости от длины волны для фотокатода из уровня техники и для фотокатода согласно первому предпочтительному варианту выполнения изобретения;

фиг. 6 - схематический вид в поперечном разрезе на фотокатод согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения, в котором претерпевшие дифракцию фотоны полностью отражаются на уровне эмиссионного слоя фотокатода;

фиг. 7 - схематический вид в поперечном разрезе на фотокатод согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения, в котором фотокатод содержит две дифракционных решетки.

Осуществление изобретения

На фигурах 3 и 4 показан полупрозрачный фотокатод 1 согласно первому предпочтительному варианту выполнения изобретения.

Следует отметить, что масштабность не соблюдена в целях наглядного изображения чертежа.

Фотокатод 1 согласно изобретению может применяться в составе любого типа детектора фотонов, например усилителя изображения или фотоэлектронного умножителя.

Назначение фотокатода состоит в приеме потока фотонов падающего излучения и в излучении в ответ электронов, так называемых фотоэлектронов.

Он содержит прозрачную подложку 10, слой 20 из фотоэмиссионного материала и согласно изобретению, по меньшей мере, одну дифракционную решетку 30, предназначенную для дифракции фотонов падающего излучения.

Подложка 10 представляет собой слой из прозрачного материала, на который нанесен фотоэмиссионный слой 20.

Она является прозрачной, так как проходящие сквозь нее фотоны падающего излучения не поглощаются. Коэффициент пропускания подложки 10 равен по существу единице.

Подложка содержит переднюю поверхность 11, называемую поверхностью приема фотонов и противоположную заднюю поверхность 12.

По меньшей мере, одна дифракционная пропускающая решетка 30 расположена в подложке 10 на уровне задней поверхности 12.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, приведенному на фигурах 3 и 4, предусмотрена лишь одна дифракционная решетка 30.

Дифракционная решетка 30 образована периодическим размещением рисунков 31, заполненных материалом с оптическим преломлением, отличающимся от оптического преломления материала подложки 10.

Под рисунками понимаются вырезы, надрезы, выемки, насечки или бороздки, имеющие синусоидальную, скалярную, трапецеидальную или иную форму, которые выполнены в подложке.

Разница между показателями оптического преломления материала дифракционной решетки 30 в рисунках 31 и материалом подложки 10 превышает или равна 0,2.

Дифракционная решетка 30 отличается, в частности, расстоянием, называемым шагом решетки, между двумя смежными рисунками 31. Шаг решетки определяется с учетом длины волны фотонов падающего излучения таким образом, чтобы они могли подвергаться дифракции.

Как подробно показано на фиг. 4, дифракционная решетка 30 может быть расположена в подложке 10 на уровне задней поверхности 12 и ограничивать таким образом, по меньшей мере, частично заднюю поверхность 12.

В качестве альтернативы дифракционная решетка может находиться внутри подложки и располагаться в непосредственной близости от задней поверхности, на расстоянии от нее, пренебрежительном к толщине подложки.

Необходимо отметить, что задняя поверхность 12 подложки 10 выполнена существенно плоской. Однако она может быть также изогнутой в случае, когда фотокатод сам имеет заданную кривизну.

На фиг. 4 показана дифракционная решетка 30, локализованная в подложке 10 таким образом, что заполняющий рисунки 31 решетки материал не выступает за пределы этих рисунков. Однако, как это будет видно при изготовлении фотокатода, заполняющий рисунки 31 материал может образовывать согласно варианту выполнения слой между задней поверхностью 12 подложки и фотоэмиссионным слоем 20.

Фотоэмиссионный слой 20 расположен возле задней поверхности 12 подложки 10.

Он содержит верхнюю поверхность 21, находящуюся в контакте с задней поверхностью 12 подложки 10, и противолежащую нижнюю поверхность 22, называемую поверхностью для эмиссии фотоэлектронов.

Фотоэмиссионный слой 20 имеет среднюю, в основном постоянную толщину, обозначенную позицией e. Эта толщина предпочтительно меньше или равна 300 нм.

Фотоэмиссионный слой 20 выполнен из соответствующего полупроводящего материала, предпочтительно из щелочного соединения на основе сурьмы. Такой щелочной материал может быть выбран из SbNaKCs, SbNa₂KCs, SbNaK, SbKCs, SbRbKCs или SbRbCs. Также фотоэмиссионный слой 20 может состоять из оксида серебра AgOCs.

Эмиссионная поверхность 22 может обрабатываться водородом, цезием или его оксидом с целью снижения электронного сродства. Следовательно, фотоэлектроны, достигшие нижнюю эмиссионную поверхность 22 фотоэмиссионного слоя 20, могут быть естественным образом извлечены из него и излучены в вакуум.

Электрод (не показан), служащий источником электронов, контактирует с фотоэмиссионным слоем 20 и имеет электрический потенциал.

Он может быть расположен возле боковой поверхности фотоэмиссионного слоя 20 для предупреждения уменьшения или возмущения эмиссии электронов с нижней эмиссионной поверхности 22.

Источник электронов позволяет производить рекомбинацию дырок, образованных фотонами падающего излучения. Следовательно, общий электрический заряд фотоэмиссионного слоя 20 сохраняется существенно постоянным.

Следует отметить, что фотоэмиссионный слой 20 является достаточно тонким для того, чтобы произведенные электроны естественным образом могли перемещаться до эмиссионной поверхности 22.

Следовательно, отпадает необходимость в создании электрического поля в фотоэмиссионном слое 20 для переноса электронов до эмиссионной поверхности. Создание такого электрического поля потребовало бы размещения двух поляризационных электродов, одного возле верхней поверхности 21 фотоэмиссионного слоя 20 и второго около нижней эмиссионной поверхности 22.

Ниже описывается принцип действия фотокатода согласно изобретению.

Фотоны проникают в фотокатод 1 через переднюю приемную поверхность 11 подложки 10.

Они проходят через подложку 10 до ее задней поверхности 12.

Затем они подвергаются дифракции дифракционной решеткой 30 и пропускаются в фотоэмиссионный слой 20. Статистически их угол дифракции, по абсолютной величине, значительно больше угла падения, углы падения и дифракции определяются по отношению к нормали на задней поверхности 12.

Точнее, если принять, что α=α_i - угол падения на решетку, f(α) - угловое распределение падающего пучка, α_d - угол дифракции, то угловое распределение подвергшегося дифракции пучка можно будет записать:

F(α)=П⊗f(α)≈f(α+θ)+(α-θ),

где: П - фигура дифракции решетки, аппроксимация выполнена при ограничении первым порядком дифракции при θ=λ/p, где: p - шаг решетки.

Следовательно, угловое распределение подвергшегося дифракции пучка более растянуто, чем у падающего пучка. Электроны видят фотоэмиссионный слой 20 со средней кажущейся толщиной:

где: e - фактическая толщина слоя, α_max - максимальный угол падения на решетку.

Кажущаяся средняя толщина e_d фотоэмиссионного слоя существенно превышает свою фактическую толщину e, другими словами, среднее расстояние, пробегаемое фотонами внутри слоя, существенно больше, чем в слое, известном из уровня техники. Отсюда следует, что поглощается более высокий процент подвергшихся дифракции фотонов.

Поглощение подвергшихся дифракции фотонов ведет к образованию пар электрон-дырка. Произведенные электроны распространяются внутри фотоэмиссионного слоя 20 до нижней эмиссионной поверхности 22, где они излучаются в вакуум.

Поскольку перенос электронов в фотоэмиссионном слое 20 происходит независимо от направления предварительного распространения фотонов, то степень переноса фотоэмиссионного слоя 20 существенно равна степени переноса фотокатода, известного из уровня техники, т.е. без применения дифракционной решетки. Таким образом степень переноса сохраняется.

Следовательно, фотокатод 1 согласно изобретению характеризуется повышенной степенью поглощения и сохраняющейся степенью переноса, что приводит к достижению оптимального квантового выхода, в частности, при энергиях, близких к пороговому значению фотоэмиссии.

Фотокатод 1 согласно изобретению может быть получен следующим образом.

Подложку 10 изготавливают из соответствующего прозрачного материала, например кварца или боросиликатного стекла.

Рисунки 31 дифракционной решетки 30 гравируют на подложке 10 на уровне задней поверхности 12 с помощью известных приемов гравировки, например приемов голографии и/или ионного травления, даже алмазной гравировки.

После этого рисунки 31 заполняют дифракционным материалом, показатель преломления которого отличается от того же показателя подложки, например, из Al₂O₃ (n~1,7), TiO₂ (n~2,3-2,6) или Ta₂O₅ (n~2,2), даже из HfO₂.

Этот материал может быть нанесен известными способами физического осаждения в паровой фазе, такими, например, как катодное напыление (sputtering), выпаривание, или физическим осаждением в паровой фазе электронным пучком EBPVD (electron beam physical vapour deposition). Также могут применяться известные способы химического осаждения в паровой фазе, как, например, осаждение в виде атомного слоя ALD (atomic layer deposition), а также известные, так называемые гибридные способы, как, например, реакционноспособное напыление и осаждение ионным пучком (IBAD: ion beam assisted deposition).

Согласно предпочтительному первому варианту выполнения, приведенному на фиг. 4, заднюю поверхность 12 полируют до удаления избытка дифракционного материала, образующего выступы над рисунками 31 дифракционной решетки 30.

Согласно второму варианту выполнения (не показан) заднюю поверхность полируют, но без необходимости достижения одного уровня. В результате на задней поверхности 22 образуется равномерный слой дифракционного материала, создающий сплошность с рисунками.

Каким бы ни был вариант выполнения, затем может быть нанесен тонкий барьерный диффузионный слой для предупреждения миграции/химического взаимодействия между материалом фотоэмиссионного слоя и материалом дифракционной решетки. Толщина диффузионного барьерного слоя выбирается достаточно малой (менее λ/4, предпочтительно около λ/10).

В любом случае после этого фотоэмиссионный слой 20 наносят одним из перечисленных выше способов покрытия.

В качестве иллюстрации, фотокатод 12 типа S25 согласно первому предпочтительному варианту выполнения изобретения может быть изготовлен следующим образом.

Подложку 10 выполняют из кварца.

Гравирование дифракционной решетки 30 производят по подложке 10 на уровне задней поверхности 12 в виде периодического размещения бороздок 31, параллельных между собой.

Бороздки 31 имеют ширину 342 нм и глубину 362 нм. Шаг решетки, т.е. расстояние между двумя смежными параллельными бороздками 31, составляет 795 нм.

Бороздки 31 заполнены, например, TiO₂, показатель преломления которого составляет от 2,3 до 2,6.

TiO₂ может наноситься известным способом нанесения атомного слоя (ALD).

Полирование задней поверхности 12 проводится с целью удаления избытка дифракционного материала в виде выступов над бороздками 31.

Таким образом получают существенно плоскую заднюю поверхность 12, которая частично ограничена материалом (кварцем) подложки 10 и частично дифракционным материалом (TiO₂) бороздок 31 дифракционной решетки 30.

В заключение получают фотоэмиссионный слой 20 из SbNaK или SbNa₂KCs, наносимый на заднюю поверхность 12 подложки 10 таким образом, чтобы толщина была постоянной и составляла существенно от 50 до 240 нм.

На фиг. 5 показано изменение квантового выхода в зависимости от длины волны фотонов падающего излучения для такого фотокатода и для фотокатода согласно примеру из описанного выше уровня техники.

Можно видеть, что квантовый выход возрос во всем диапазоне длин волны, в частности, при больших длинах волны.

Таким образом при λ~825 нм квантовый выход фотокатода согласно изобретению составляет около 18%, для фотокатода без дифракционной сетки он составляет около 10%, что свидетельствует о повышении квантового выхода приблизительно на 80%.

На фиг. 6 показан фотокатод согласно второму варианту выполнения изобретения.

Цифровыми позициями, одинаковыми с позициями на описанной ранее фиг. 3, обозначены одинаковые или схожие элементы.

Фотокатод 1 отличается от фотокатода в первом предпочтительном варианте выполнения только тем, что размеры дифракционной решетки 30 выбраны такими, что каждый фотон, поступающий при нормальном падении излучения (α_i=0) после дифракции и, не будучи поглощенным в фотоэмиссионном слое 20, отражается на уровне нижней эмиссионной поверхности 22.

В качестве альтернативы размеры дифракционной решетки 30 предпочтительно выбраны такими, чтобы средний угол дифракции (с учетом углового распределения F(α_d)) строго превышал arcsin(1/n_p), где: n_p - показатель преломления фотоэмиссионного слоя.

Точнее, шаг p решетки и/или показатель преломления дифракционного материала, заполняющего рисунки, выбраны так, чтобы средний угол дифракции строго превышал значение arcsin(1/n_p).

Таким образом отраженные фотоны остаются локализованными в фотоэмиссионном слое 20 до их поглощения и образования пар электрон-дырка.

Это позволяет значительно снизить степень пропускания фотонов фотоэмиссионного слоя 20 в пользу поглощения.

Поскольку степень переноса электронов остается неизменной, то, следовательно, квантовый выход фотокатода дополнительно повышается, в частности, для фотонов с энергией, близкой к пороговому значению фотоэмиссии.

На фиг. 7 показан фотокатод с видом сверху согласно третьему варианту выполнения изобретения, в котором две дифракционных решетки 30, 40 находятся в подложке 10 на уровне задней поверхности 12.

Цифровыми позициями, одинаковыми с позициями на описанной ранее фиг. 3, обозначены одинаковые или схожие элементы.

Фотокатод отличается от фотокатода согласно первому предпочтительному варианту выполнения только наличием дополнительной дифракционной решетки 40 в подложке 10.

Эта дополнительная решетка 40 находится вблизи от первой дифракционной решетки 30 и выше ее в направлении распространения фотонов.

Эти обе решетки 30 и 40 ориентированы в разных направлениях, предпочтительно ортогонально, и удалены друг от друга на расстояние, пренебрежительное к толщине подложки, например, на расстояние от около λ/10 до 10λ.

Дополнительная решетка 40 имеет, например, тот же шаг, что и первая описанная выше дифракционная решетка 30.

Согласно варианту выполнения первая дифракционная решетка и дополнительная решетка находятся в одной плоскости в соответствии с двухмерным рисунком, функция пропускания которых представляет собой произведение соответствующих функций пропускания первой решетки и дополнительной решетки. Двухмерный рисунок может быть получен голографическими способами.

При допущении наличия двух ортогональных решеток угловое распределение прошедших дифракцию фотонов может быть записано в следующей виде:

F(α, β)=П⊗f(α, β)

≈f(α+θ, β+θ')+f(α+θ, β-θ')+f(α-θ, β+θ')+f(α-θ, β-θ'),

при этом сохраняются одинаковые значения, при которых α и β означают соответственно углы падения фотона на плоскость, перпендикулярную направлению первой решетки, и на плоскость, перпендикулярную направлению дополнительной решетки, θ=λ/p; θ'=λ/p', где: p и p' - шаги первой и дополнительной решеток.

Следовательно, угловое распределение более вытянуто по сравнению с первым вариантом выполнения, а кажущаяся толщина фотоэмиссионного слоя 20, предназначенного для фотонов, более значительна, благодаря чему улучшается степень поглощения.

Среднему специалисту очевидно, что этот вариант выполнения не ограничивается двумя дифракционными решетками. Подложка может содержать на уровне задней поверхности большее количество разных дифракционных решеток.

Кроме того, средний специалист может привнести разные изменения в изобретение, которое описано здесь единственно в качестве не ограничивающих примеров.

Наконец описанный выше фотокатод может быть встроен в оптическую систему детектирования фотонов. Такая оптическая система содержит выходное устройство для преобразования фотоэлектронов в электрический сигнал. В этом устройстве могут содержаться матрица CCD и оптическая система, известная под аббревиатурой EB-CCD (Electron Bombarded CCD). В качестве альтернативы выходное устройство может содержать матрицу CMOS на уточненной и пассивированной подложке, при этом оптическая система известна под аббревиатурой EBCMOS (Electron Bombarded CMOS).

Изобретение относится к полупрозрачному фотокатоду (1) для фотодетектора, имеющего повышенную степень поглощения при сохраняющейся степени переноса. Согласно изобретению фотокатод (1) содержит пропускающую дифракционную решетку (30) для дифракции фотонов, расположенную в слое подложки (10), на которую нанесен фотоэмиссионный слой (20). Технический результат - увеличение квантового выхода фотокатода. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Полупрозрачный фотокатод (1) для детектора фотонов, содержащий:

прозрачную подложку (10) с передней поверхностью (11) для приема фотонов и противоположной задней поверхностью (12),

фотоэмиссионный слой (20), расположенный на задней поверхности (12) и имеющий противоположную эмиссионную поверхность (22), для приема фотонов из подложки (10) и излучающий в ответ фотоэлектроны с эмиссионной поверхности (22),

отличающийся тем, что содержит дифракционную решетку (30) для дифракции при пропускании, выполненную с возможностью дифракции фотонов и расположенную в подложке (10) на уровне задней поверхности (12).

2. Фотокатод (1) по п. 1, отличающийся тем, что дифракционная решетка (30) выгравирована на задней поверхности (12) подложки (10).

3. Фотокатод (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дифракционная решетка (30) образована периодической структурой из рисунков (31), заполненных материалом с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления материала подложки (10).

4. Фотокатод (1) по п. 3, отличающийся тем, что дифракционная решетка (30) расположена таким образом, что она ограничивает по меньшей мере частично заднюю поверхность (12) подложки (10), находясь на одном уровне с ней.

5. Фотокатод (1) по п. 3, отличающийся тем, что слой упомянутого материала расположен непосредственно на задней поверхности, непрерывно с указанными рисунками.

6. Фотокатод (1) по п. 4 или 5, отличающийся тем, что между дифракционной решеткой и фотоэмиссионным слоем расположен диффузионный барьер.

7. Фотокатод (1) по п. 1, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере одну дополнительную дифракционную решетку (40), предназначенную для дифракции фотонов и расположенную в подложке (10) вблизи первой дифракционной решетки (30), причем дополнительная дифракционная решетка (40) образована периодическим размещением рисунков (41) в направлении, отличающемся от направления рисунков первой решетки.

8. Фотокатод (1) по п. 7, отличающийся тем, что первая дифракционная решетка и дополнительная дифракционная решетка (40) находятся в одной плоскости и выполнены из двухмерных рисунков.

9. Фотокатод (1) по п. 1, отличающийся тем, что фотоэмиссионный слой (20) содержит сурьму и по меньшей мере один щелочной металл.

10. Фотокатод (1) по п. 8, отличающийся тем, что фотоэмиссионный слой (20) выполнен из материала, выбранного из SbNaKCs, SbNa₂KCs, SbNaK, SbKCs, SbRbKCs и SbRbCs.

11. Фотокатод (1) по п. 1, отличающийся тем, что фотоэмиссионный слой (20) выполнен из AgOCs.

12. Фотокатод (1) по п. 1, отличающийся тем, что фотоэмиссионный слой (20) имеет по существу постоянную толщину.

13. Фотокатод (1) по п. 12, отличающийся тем, что фотоэмиссионный слой (20) имеет толщину, которая меньше или равна 300 нм.

14. Оптическая система детектирования фотонов, содержащая фотокатод (1) по любому из пп. 1-13 и выходное устройство для передачи выходного сигнала в ответ на фотоэлектроны, излученные фотокатодом (1).

15. Оптическая система по п. 14, которая является усилителем изображения или фотоэлектронным умножителем типа ЕВ-CCD или EBCMOS.