СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИОННО-БАРЬЕРНОЙ ПЛЕНКИ НА МИКРОКАНАЛЬНОЙ ПЛАСТИНЕ Российский патент 2019 года по МПК H01J31/50 

Заявляемое техническое решение относится к области фотоэлектронных приборов и может быть использовано для изготовления ионно-барьерной пленки на входной поверхности микроканальной пластины при изготовлении фотоэлектронных приборов, таких, как электронно-оптические преобразователи, фотоэлектронные умножители, координатно-чувствительные детекторы, телевизионные передающие трубки.

Как известно, фотоэлектронный прибор содержит герметично запаянный корпус с внутренним вакуумным пространством, в котором последовательно расположены электроды: фотокатод, под действием оптического излучения эмитирующий электроны во внутреннее вакуумное пространство, и анод, последний рабочий электрод, который собирает эмитированные электроны и преобразует их энергию в электрический сигнал (в фотоэлектронных умножителях, детекторах фотонов, телевизионных передающих трубках) или в видимое оптическое излучение (в электронно-оптических преобразователях). Для усиления фототока фотоэлектронный прибор может содержать микроканальную пластину (МКП), располагающуюся между фотокатодом и анодом. Микроканальная пластина представляет собой тонкую стеклянную пластину с торцевыми поверхностями и множеством регулярно расположенных и спеченных вместе микроскопических трубчатых параллельных каналов, проходящих через ее толщину. На обе торцевые поверхности микроканальной пластины - входную, обращенную к фотокатоду, и выходную, обращенную к аноду, - наносят проводящие покрытия, которые функционируют в качестве, соответственно, входного и выходного контактных электродов микроканальной пластины. Обычно проводящее электродное покрытие выполняют из хрома или нихрома, слоем толщиной примерно 0,1—0,4 мкм, при этом упомянутый металлизированный слой наносят не только на участки торцевой поверхности микроканальной пластины между её каналами, но и заглубляют на небольшую величину в каналы МКП. К выполненным таким образом контактным электродам микроканальной пластины подводят питающее напряжение - минусом к входному электроду и плюсом к выходному электроду, так, что разность потенциалов между входным и выходным электродом создает осевое электрическое поле во всех каналах микроканальной пластины. При работе фотоэлектронного прибора фотоэлектрон, вылетая из фотокатода и попадая в канал микроканальной пластины со стороны её входной поверхности, вызывает генерацию вторичных электронов, которые под воздействием осевого электрического поля ускоряются и, проходя внутри канала МКП и ударяя по его стенке, вновь генерируют вторичные электроны. Таким образом, каждый канал микроканальной пластины действует как вторичный эмиссионный электронный умножитель, имеющий коэффициент усиления электронов примерно в несколько сотен, при этом электронное усиление регулируют, в основном, разностью потенциалов, прикладываемой между входным и выходным электродами микроканальной пластины. В вакуумном пространстве фотоэлектронного прибора остаточное давление никогда не равно нулю, независимо от качества очистки и дегазации его составных частей. В процессе работы фотоэлектронного прибора при соударении электронов о стенки каналов, а также о поверхность анода, происходит электронно-стимулированная десорбция молекул газа, которые ионизируются под действием электронов внутри каналов микроканальной пластины и в промежутке между МКП и анодом. Образовавшиеся положительные ионы под воздействием приложенного электрического поля перемещаются по каналам МКП в направлении фотокатода и бомбардируют его активный фотоэмиссионный слой. Фотокатоды на основе соединений элементов III-V групп, используемые в фотоэлектронных приборах III поколения, имеют пониженную стойкость к ионной бомбардировке и быстро разрушаются под её воздействием, что приводит, соответственно, к ухудшению технико-эксплуатационных характеристик фотоэлектронного прибора, в том числе, уменьшению его рабочего ресурса и снижению надежности. Для предотвращения разрушения фотокатода и связанного с этим негативного влияния на технико-эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора, входную поверхность используемой в нём микроканальной пластины покрывают ионно-барьерной пленкой (ИБП), так, чтобы она закрывала входные отверстия каналов микроканальной пластины. Ионно-барьерную пленку выполняют в виде очень тонкого слоя материала, состоящего из химических элементов с малой атомной массой менее 30 и непрозрачного для положительных ионов. Обычно в качестве такого материала ионно-барьерной пленки используют оксид кремния или оксид алюминия. Ионно-барьерная пленка положительно влияет на работоспособность фотокатода фотоэлектронного прибора, однако, её наличие на входной поверхности микроканальной пластины оказывает негативное влияние на технико-эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора в целом, а именно, существенно снижает отношение сигнал/шум фотоэлектронного прибора. Ионно-барьерная пленка может также заряжаться при высоком уровне освещенности фотокатода. Зарядка ионно-барьерной пленки может привести к снижению контраста изображения в электронно-оптическом преобразователе и к ухудшению его разрешающей способности. В большей степени негативное влияние ионно-барьерной пленки на технико-эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора обусловлено тем, что ионно-барьерная пленка затрудняет проникновение электронов, эмитируемых фотокатодом, в каналы микроканальной пластины. Поэтому, вместе с тем требованием, что ионно-барьерная пленка должна подавлять выход положительных ионов из каналов микроканальной пластины (так называемую ионную обратную связь микроканальной пластины с фотокатодом), она должна быть проницаемой для электронов, эмитируемых фотокатодом, то есть, обеспечивать их проход в каналы микроканальной пластины. Причем степень электронной проницаемости ионно-барьерной пленки должна быть достаточной для того, чтобы фотоэлектроны, пройдя сквозь неё, потеряли как можно меньше энергии и обладали ещё достаточным потенциалом, чтобы обеспечить достаточный эффект электронного умножения в каналах микроканальной пластины и, тем самым, обеспечить технико-эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора на достаточно высоком уровне. Как известно, степень электронной проницаемости ионно-барьерной пленки определяется её толщиной, характеристиками материала, используемого для её изготовления, и, как показывает практика, способом изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине. Традиционный способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине предполагает, что перед нанесением непосредственно ионно-барьерной пленки на входную поверхность микроканальной пластины с уже нанесенным на неё проводящим электродным покрытием, выполняемым обычно из хрома или нихрома, наносят тонкую полимерную пленку таким образом, чтобы эта пленка закрывала каналы микроканальной пластины. Материалом для изготовления полимерной пленки может быть, например, полимерный лак на основе нитрата целлюлозы или акрилового полимера, а сформирована полимерная пленка может быть, например, самонесущей, методом флотации на воде. Поверх полимерной пленки наносят тонкую ионно-барьерную пленку, например, из оксида алюминия или оксида кремния, методом вакуумного распыления. Затем полимерную пленку удаляют путем нагревания на воздухе при температуре разложения составляющего её материала. Например, для нитроцеллюлозной или акриловой пленки температура нагревания может составлять от 300 до 400°C. В результате удаления полимерной пленки ионно-барьерная пленка опускается на микроканальную пластину и контактирует с поверхностью входного проводящего электродного покрытия, закрывая входы в каналы МКП.

Способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине, аналогичный вышеописанному, известен также из описания к патенту на изобретение «LIGHT AMPLIFIER DEVICE HAVING AN ION AND LOW ENERGY ELECTRON TRAPPING MEANS» (US3742224 (A), МПК H01J31/50, H01J39/12, H01J43/00, опубликовано 26.06.1973). Данное техническое решение способа изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине принято в качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения. При осуществлении известного, принятого ближайшим аналогом, способа, сначала формируют самонесущую полимерную пленку из нитроцеллюлозного лака. Затем полимерную пленку помещают на входную поверхность микроканальной пластины, поверх предварительно нанесенного на эту поверхность в качестве контактного электрода слоя электропроводящего материала, то есть, поверх проводящего электродного покрытия. При этом для лучшего удерживания полимерной пленки на входной поверхности микроканальной пластины, с противоположной стороны МКП создают незначительный вакуум. Поверх полимерной пленки наносят тонкую пленку алюминия необходимой толщины. Затем всю сборку, содержащую микроканальную пластину с проводящим электродным покрытием и с нанесенными на её входную поверхность пленками, помещают в печь, где сборку нагревают в воздушной атмосфере при температуре около 325°С в течение одного-двух часов. В результате нагревания полимерная пленка выжигается, а продукты её сгорания улетучиваются, в результате чего, алюминиевая пленка опускается на входную поверхность микроканальной пластины и электрически контактирует с нанесенным на эту поверхность проводящим электродным покрытием, при этом электростатические силы помогают удерживать алюминиевую пленку на поверхности микроканальной пластины. Недостаток известного способа изготовления ионно-барьерной пленки, ближайшего аналога, связан с тем, что в условиях одновременного воздействия высокотемпературного нагрева и кислородсодержащей среды (в данном случае, атмосферного воздуха), при которых осуществляется выжигание полимерной пленки, происходит существенное увеличение толщины окисленного слоя, который неизбежно образуется на поверхности проводящего электродного покрытия микроканальной пластины. В результате этого при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе снижается электронная проводимость в системе слоёв «ионно-барьерная пленка – проводящее электродное покрытие», что затрудняет стекание избыточного заряда с ионно-барьерной пленки на проводящее электродное покрытие и, как следствие, приводит к зарядке ионно-барьерной пленки. Зарядка ионно-барьерной пленки препятствует проникновению через неё электронов, эмитируемых фотокатодом, то есть, ухудшает её электронную проницаемость. Вместе с этим, поскольку выжигаемая полимерная пленка расположена между поверхностью ионно-барьерной пленки и поверхностью проводящего электродного покрытия микроканальной пластины, то, не смотря на то, что основная масса вещества, составляющего полимерную пленку, разлагается в результате высокотемпературного нагрева, полимерная пленка не удаляется полностью, и составляющие её компоненты, а также, продукты её разложения, остаются под ионно-барьерной пленкой в промежутке между упомянутыми поверхностями, ухудшая между ними электрический контакт, и, следовательно, снижая электронную проводимость в системе слоёв «ионно-барьерная пленка – проводящее электродное покрытие», что также приводит к зарядке и снижению степени электронной проницаемости ионно-барьерной пленки. Таким образом, это обстоятельство также приводит к снижению отношения сигнал-шум фотоэлектронного прибора, а в случае электронно-оптического преобразователя - к снижению контрастности изображения и к ухудшению разрешающей способности ЭОП. Таким образом, известный способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине, ближайший аналог, обуславливает недостаточную степень электронной проницаемости ионно-барьерной пленки, что увеличивает степень негативного влияния ионно-барьерной пленки на технико-эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора в целом, а именно, приводит к значительному снижению отношения сигнал-шум фотоэлектронного прибора, снижает контрастность изображения и ухудшает разрешающую способность ЭОП в случае применения микроканальной пластины с ионно-барьерной пленкой в электронно-оптическом преобразователе. То есть, степень негативного влияния ионно-барьерной пленки, изготовленной на микроканальной пластине по способу ближайшего аналога, на технико-эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора является довольно высокой.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое техническое решение способа изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине, заключается в уменьшении степени негативного влияния ионно-барьерной пленки на технико-эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора в целом.

Указанная техническая проблема решается тем, что в способе изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине, имеющей проводящее электродное покрытие на её входной поверхности, включающем нанесение тонкой полимерной пленки поверх проводящего электродного покрытия, нанесение ионно-барьерной пленки поверх тонкой полимерной пленки, удаление тонкой полимерной пленки, при этом ионно-барьерную пленку выполняют тонкой из материала с атомной массой не более 30, непрозрачного для положительных ионов и прозрачного для ультрафиолетового излучения с длиной волны не более 250⋅10 метров, согласно заявляемого технического решения для удаления тонкой полимерной пленки ионно-барьерную пленку облучают ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 250⋅10 метров в кислородсодержащей среде при температуре не выше 100°С.

Согласно заявляемому способу изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине для удаления тонкой полимерной пленки ионно-барьерную пленку облучают ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 250⋅10 метров в кислородсодержащей среде при температуре не выше 100°С. Ультрафиолетовое излучение проникает сквозь прозрачную для данного диапазона ионно-барьерную пленку. При этом в упомянутом спектральном диапазоне кислород, содержащийся в кислородсодержащей среде, поглощает ультрафиолетовые лучи с образованием озона, а озон, в свою очередь, разлагается с образованием кислородных радикалов, которые легко связываются с органическим веществом, составляющим тонкую полимерную пленку, с образованием газообразных легко улетучиваемых соединений. В результате обеспечивается разложение полимерной пленки и удаление материалов разложения из-под ионно-барьерной пленки одновременно с тем, что исключается существенное увеличение окисленного слоя проводящего электродного покрытия микроканальной пластины, поскольку ультрафиолетовое облучение осуществляется при относительно низкой температуре. За счет этого заявляемое техническое решение способа изготовления ионно-барьерной пленки, в сравнении с техническим решением ближайшего аналога, обеспечивает более высокую электронную проводимость в системе слоёв «ионно-барьерная пленка – проводящее электродное покрытие» при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе и, как следствие, повышает степень электронной проницаемости ионно-барьерной пленки при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе, что является техническим результатом заявляемого технического решения. В свою очередь более высокая электронная проницаемости ионно-барьерной пленки при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе обуславливает более высокое значение отношения сигнал/шум фотоэлектронного прибора в целом, а также обеспечивает более высокую степень контрастности изображения и повышает разрешающую способность ЭОП в случае применения микроканальной пластины с ионно-барьерной пленкой в электронно-оптическом преобразователе. Таким образом, заявляемый способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине уменьшает, в сравнении с техническим решением ближайшего аналога, степень негативного влияния ионно-барьерной пленки на технико-эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора в целом.

В заявляемом способе изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине в качестве материала с атомной массой не более 30, непрозрачного для положительных ионов и прозрачного для ультрафиолетового излучения с длиной волны не более 250⋅10 метров могут быть использованы оксид алюминия или оксид кремния.

В заявляемом способе изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине ионно-барьерная пленка может быть нанесена методом вакуумного напыления, а толщина ионно-барьерной пленки может составлять, предпочтительно, от 2⋅10 до 7⋅10 метров.

В заявляемом способе изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине перед облучением ионно-барьерной пленки ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 250⋅10 метров в кислородсодержащей среде при температуре не выше 100°С сборку микроканальной пластины с проводящим электродным покрытием и нанесенными на неё пленками дополнительно можно нагревать в вакууме при температуре разложения материала полимерной пленки. За счет этого обеспечивается термическое разложение основной массы вещества, составляющего полимерную пленку. Уменьшение массы вещества полимерной пленки обусловливает уменьшение количества газообразных продуктов, образующихся в каналах микроканальной пластины в результате разложения полимерной пленки под действием последующего ультрафиолетового облучения ионно-барьерной пленки. В свою очередь, снижение газообразования в вакуумном объеме фотоэлектронного прибора позволяет дополнительно повысить отношение сигнал/шум, а также, увеличить срок службы фотоэлектронного прибора. При этом увеличение толщины окисленного слоя проводящего электродного покрытия, имеющегося на входной поверхности микроканальной пластины, не происходит, поскольку упомянутое вакуумное нагревание сборки микроканальной пластины с проводящим электродным покрытием и нанесенными на неё пленками при температуре разложения материала полимерной пленки осуществляют в условиях вакуума, то есть, в бескислородной среде.

В заявляемом способе изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине полимерная пленка может быть выполнена из полимерного лака на основе нитрата целлюлозы или акрилового полимера. В случаях такого выполнения полимерной пленки вакуумное нагревание сборки микроканальной пластины с проводящим электродным покрытием и нанесенными на неё пленками осуществляют при температуре от 300°С до 400°С в течение времени от 15 до 240 минут.

Заявляемый способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине осуществляют следующим образом. Берут микроканальную пластину, предназначенную для использования в фотоэлектронном приборе и имеющую проводящее электродное покрытие на её входной поверхности, выполненное, например, из хрома или нихрома. Поверх упомянутого проводящего электродного покрытия микроканальной пластины наносят тонкую полимерную пленку, например, из полимерного лака на основе нитрата целлюлозы или акрилового полимера. При использовании полимерного лака на основе нитрата целлюлозы тонкую полимерную пленку формируют, например, в виде самонесущей пленки методом флотации. Для этого небольшое количество полимерного лака капают на поверхность воды. После растекания полимерного лака по поверхности воды на поверхность получившейся лаковой пленки опускают держатель, выполненный, например, в виде металлической рамки. С помощью держателя пленку, полученную из полимерного лака, снимают с поверхности воды и помещают на микроканальную пластину, поверх проводящего электродного покрытия, имеющегося на её входной поверхности. При этом для лучшего удерживания тонкой полимерной пленки на входной поверхности микроканальной пластины, с противоположной, выходной стороны микроканальной пластины создают незначительный вакуум. Далее поверх тонкой полимерной пленки наносят, в качестве ионно-барьерной пленки, тонкую пленку, например, оксида алюминия или оксида кремния. Ионно-барьерную пленку наносят методом вакуумного распыления, толщиной, например, от 2⋅10 до 7⋅10 метров. Сборку микроканальной пластины с проводящим электродным покрытием на её входной поверхности и нанесенными на неё пленками размещают под ультрафиолетовой лампой в закрытой камере с подачей кислорода. Упомянутую сборку облучают со стороны её входной поверхности, где нанесена ионно-барьерная пленка, ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 250⋅10 метров при температуре не выше 100°С. Время облучения определяют экспериментально, в зависимости от расстояния между ультрафиолетовой лампой и облучаемой поверхностью и от концентрации кислорода в среде, в которой осуществляют облучение. При необходимости до выполнения операции ультрафиолетового облучения ионно-барьерной пленки сборку микроканальной пластины с проводящим электродным покрытием на её входной поверхности и нанесенными на неё пленками помещают в установку вакуумного отжига, где её нагревают в условиях вакуума при температуре разложения материала, составляющего тонкую полимерную пленку. Например, если для выполнения тонкой полимерной пленки используют полимерный лак на основе нитрата целлюлозы или акрилового полимера, то нагревание сборки микроканальной пластины с проводящим электродным покрытием и нанесенными на неё пленками осуществляют при температуре от 300°С до 400°С в течение времени от 15 до 240 минут. В результате такого нагревания происходит термическое разложение основной массы органического вещества полимерной пленки, что уменьшает количество газообразных продуктов, образующихся на последующей операции ультрафиолетового облучения ионно-барьерной пленки.

Образцы фотоэлектронных приборов, при изготовлении которых был использован заявляемый способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине с указанным режимом ультрафиолетового облучения, показали значение отношения сигнал-шум на 5-10 % большее, чем значение отношения сигнал-шум фотоэлектронных приборов, изготовленных с использованием технического решения ближайшего аналога. При этом в случае применения заявляемого способа изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине при изготовлении электронно-оптических преобразователей, последние в процессе их эксплуатации показали большую степень контрастности изображения, а также улучшение разрешающей способности ЭОП при повышенной освещенности на фотокатоде на 5-10 %.

Изобретение относится к области фотоэлектронных приборов и может быть использовано для изготовления ионно-барьерной пленки на входной поверхности микроканальной пластины при изготовлении фотоэлектронных приборов. Способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине, имеющей проводящее электродное покрытие на её входной поверхности, включает нанесение тонкой полимерной пленки поверх проводящего электродного покрытия, нанесение ионно-барьерной пленки поверх тонкой полимерной пленки. Ионно-барьерную пленку выполняют тонкой из материала с атомной массой не более 30, непрозрачного для положительных ионов и прозрачного для ультрафиолетового излучения с длиной волны не более 250⋅10 метров. Ионно-барьерную пленку облучают ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 250⋅10 метров в кислородсодержащей среде при температуре не выше 100°С. Изобретение позволяет повысить степень электронной проницаемости ионно-барьерной пленки при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине, имеющей проводящее электродное покрытие на её входной поверхности, включающий нанесение тонкой полимерной пленки поверх проводящего электродного покрытия, нанесение ионно-барьерной пленки поверх тонкой полимерной пленки, облучение ионно-барьерной пленки ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 250⋅10 метров в кислородсодержащей среде при температуре не выше 100°С, при этом ионно-барьерную пленку выполняют тонкой из материала с атомной массой не более 30, непрозрачного для положительных ионов и прозрачного для ультрафиолетового излучения с длиной волны не более 250 ⋅10 метров.

2. Способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала с атомной массой не более 30, непрозрачного для положительных ионов и прозрачного для ультрафиолетового излучения с длиной волны не более 250⋅10 метров используют оксид алюминия или оксид кремния.

3. Способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине по п. 1, отличающийся тем, что ионно-барьерную пленку наносят методом вакуумного напыления.

4. Способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине по п. 1, отличающийся тем, что ионно-барьерную пленку выполняют толщиной от 2⋅10 до 7⋅10 метров.

5. Способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине по п. 1, отличающийся тем, что полимерную пленку выполняют из полимерного лака на основе нитрата целлюлозы или акрилового полимера.

6. Способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине по п. 1, отличающийся тем, что перед облучением ионно-барьерной пленки ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 250⋅10 метров в кислородсодержащей среде при температуре не выше 100°С сборку микроканальной пластины с проводящим электродным покрытием и нанесенными на неё пленками нагревают в вакууме при температуре разложения материала полимерной пленки.

7. Способ изготовления ионно-барьерной пленки на микроканальной пластине по п. 5 и 6, отличающийся тем, что нагревание сборки микроканальной пластины с проводящим электродным покрытием и нанесенными на неё пленками осуществляют при температуре от 300°С до 400°С в течение времени от 15 до 240 минут.