ЭМИССИОННЫЙ ПРИЕМНИК-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2024 года по МПК H01J31/50 

Изобретение относится к эмиссионным приемникам изображений объектов, излучающих либо отражающих в диапазоне жесткого ультрафиолета. Оно может быть использовано для регистрации и распознавания изображений субмикронных объектов в оптическом режиме в УФ диапазоне 20…290 нм, с возможностью последующего цифрового преобразования аналоговых изображений. В настоящее время, диагностику и распознавание объектов с линейными размерами меньшими 125…150 нм осуществляют, используя зондовые либо пучковые аналитические методы исследований (методы просвечивающей и растровой электронной микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии, методы пучковых монохроматических рентгеновских и синхротронных излучений).

Регистрацию и распознавание топологических и структурных особенностей субмикронных объектов, в том числе микробиологических, можно было бы осуществить, используя для диагностики широко-апертурные излучения оптического УФ-С диапазона (длиной волны 20-100 нм) в режимах «на прострел» либо «на отражение», и высокочувствительные приемники изображений, чувствительные к излучениям указанной части спектрального диапазона длин волн. При этом, для исключения дифракционных эффектов, длины волн зондирующего излучения, как минимум, в 2…3 раза должны быть меньше линейных размеров (60…200 нм) диагностируемых объектов. К приемникам, которые можно было бы использовать для диагностики субмикронных объектов, разумно было бы отнести и приемники чувствительные в солнечно-слепой части ультрафиолетового диапазона. В число последних могли бы войти и вакуумные эмиссионные приемники изображений ЭОП архитектуры - электронно-оптические преобразователи, с фотокатодами на основе Cs:Te, I:Cs [1], либо алмаза [2-4]. Что касается спектральной чувствительности собственно фотокатодов на основе Cs:Te и I:Cs, то их коротковолновая граница снизу ограничивается длинами волн ~ в 100 нм, а длинноволновая («красная») граница соответствует 320 нм (Cs:Te) и 290 нм (I:Cs). Спектральная чувствительность алмазного фотокатода охватывает рентгеновский диапазон в 1-10 нм и всю оптическую часть диапазона солнечно-слепого вакуумного ультрафиолета, 20-280 нм. В то же время коротковолновая граница чувствительности вакуумных эмиссионных приемников изображений, изготовленных с использованием всех трех указанных фотокатодов составляет ~ 150 мкм. В указанных спектральных диапазонах, при освещенностях объектов в 10^-4…10² люкс, обсуждаемые приемники-аналоги позволяют регистрировать и преобразовывать УФ изображения с пороговой чувствительностью: не хуже 10^-11 Вт/(Гц)^0,5 - для фотокатодов с Cs:Te, не хуже 10^-11…5×10^-12 Вт/(Гц)^0,5 - для фотокатодов на основе Cs:I и поликристаллической алмазной пленки легированной бором, со спектральной чувствительностью ~ 50…60 мА/Вт (при λ≈200-220 нм).

Таким образом, коротковолновая граница чувствительности всех известных вакуумных эмиссионных солнечно-слепых приемников изображений соответствует длинам волн в ~ 150 нм, что связано с отсутствием в настоящее время материалов для входных окон вакуумных приемников изображений, например, ЭОП архитектуры, прозрачных для УФ излучений с длинами волн короче ~ 150 нм.

Поэтому, в реальности указанные эмиссионные приемники ЭОП архитектуры не в состоянии осуществить в оптическом режиме регистрацию и распознавание объектов с субмикронными размерами, находящимися в диапазоне 50…140 нм.

В силу сказанного, существует не удовлетворенный спрос на способы и приборы для регистрации и диагностики в оптическом и квазиоптическом режимах объектов, имеющих субмикронные размеры, особенно для объектов биологической природы. К последним можно отнести и представителей ряда опасных возбудителей вирусных заболеваний, таких, например, как коронавирусы - линейные размеры этих объектов находятся в диапазоне 80…120 нм.

Из публикаций в научной периодике следует что антибактерицидными свойствами обладают УФ-С излучения с длинами волн 200…240 нм. К более жестким излучениям УФ диапазона бактериальные и вирусные среды гораздо менее чувствительны. Поэтому, есть надежда при работах в спектральном диапазоне 20…140 нм не только на возможность в статике регистрировать изображения столь малых биологических объектов, но и на возможность в оптическом режиме наблюдать динамику их развития.

Прототипом, наиболее близким по конструкции заявляемого прибора, нами выбран эмиссионный приемник изображений архитектуры ЭОП (электронно-оптический преобразователь), с фотокатодом, например, на основе твердого раствора Ga_xAl_1-xAs, чувствительный к излучениям в видимой и в ближнем ИК диапазоне ~ 500…870 нм [5].

Задачей настоящего изобретения является предложение приемника изображений объектов, позволяющего в оптическом режиме регистрировать объекты субмикронных размеров (80…140 нм).

Поставленная задача решается посредством внесения ряда изменений в конструкцию прототипа эмиссионного приемника-преобразователя изображений, представляющего совокупность последовательно интегрированных в едином высоковакуумном корпусе входного окна, фотокатода расположенного на его тыльной стороне, микроканальной пластины, катодно-люминесцентного экрана расположенного на волоконно-оптической пластине, отличающуюся тем, что входное окно выполнено в виде собирающей линзы, фокальная плоскость которой приходится на фотокатод, а на внешней поверхности входного окна расположен поликристаллический алмазный слой субмикронной толщины, легированный бором и насыщенный центрами, люминесцирующими в видимой части оптического диапазона.

Таким образом, отличие, дающее возможность реализовать новую функцию - функцию регистрации и распознавания в оптическом режима объектов субмикронного размера, заключается в предложении конструкции входного окна в виде собирающей линзы, на внешней (выпуклой) поверхности которой расположен поликристаллический алмазный слой, легированный бором и насыщенный оптически активными центрами (C*:B:NV), люминесцирующими в видимом части оптического диапазона.

Корректность выбора конструкции заявляемого приемника и базового материала для слоя сенсора-преобразователя обуславливается широкозонностью алмаза (5,45 эВ), его чувствительностью к излучениям спектрального рентгеновского и жесткого ультрафиолетового диапазонов (0,1…280 нм), наличием в алмазе люминесцирующих центров (к числу которых относятся NV - [6-8] и SiV - центры, [9-10], близостью конструкций заявляемого приемника-преобразователя и приемника-преобразователя прототипа, а также идентичностью технологий их реализации.

Отличия технологий реализации заявляемого приемника-преобразователя от технологий изготовления прототипа наблюдаются в основном при выполнении процесса роста на входном окне ЭОП сенсорно-преобразовательного слоя на основе поликристаллических алмазных пленок, легированных бором и насыщенных люминесцирующими центрами. В настоящее время нами реализована и в приборах испытана технология роста сенсорно-преобразовательного слоя на основе поликристаллической алмазной пленки на поверхностях кварцевых и монокристаллических сапфировых входных окон ЭОП [2-4]. Кроме того, нами разработана технология насыщения поликристаллических алмазных пленок NV - и SiV центрами в процессе их выращивания на кварцевых подложках идентичных входным окнам ЭОП. С использованием этой технологии нами изготовлены и исследованы твердотельные преобразователи (ТПИ) на основе пленок C:B:NV [11]. Схема измерений и результаты люминесценции в полученных нами и исследованных C:B:NV сенсорно-преобразовательных пленках представлены на Фиг. 1 и Фиг. 2, которые иллюстрируют преобразования излучений в УФ фотонах спектрального диапазона 280-180 нм и мощностью в ~ 0,5 мкВт, в поток фотонов видимого диапазона.

На Фиг. 1 представлена схема эксперимента, где ДДС-30 - источник излучений, ТПИ - твердотельный преобразователь УФ-С изображений в изображения видимого (ВД) диапазона, на основе пленки C*:B:NV, фильтром является обычное стекло не пропускающее излучение короче 350 нм, ФПУ - фотоприемное устройство, ПК - персональный компьютер

На Фиг. 2. представлена зависимость интенсивность люминесценции от длины волны, источником является дейтериевая лампа ДДС-30, регистрируемая ФПУ, наблюдаемая в сенсорно-преобразовательной пленке насыщенной NV-центрами (C*:B:NV), - в присутствии ТПИ (кривая 1), и в отсутствии ТПИ (кривая 2).

Из представленной на Фиг. 1 и Фиг. 2 информации следует, что при выполнении найденных технологических условий формирования в алмазной пленке NV-люминесцирующих центров, насыщение ими пленок приводит к появлению в алмазных пленок возможности прямого преобразования фотонов ультрафиолетового диапазона (с длинной волны короче 280 нм) в фотоны видимого диапазона (590-640 нм - для случая NV-центров). Таким образом, выполненные нами спектральные исследования поликристаллических алмазных пленок C*:B:NV, насыщенных NV-центрами, доказывают наличие факта прямых преобразований фотонов ультрафиолетовых (УФ-С) в фотоны видимого диапазона (ВД) в изготовленных нами с использованием технологии PECVD роста пленках C*:B:NV.

На Фиг. 3 представлена блок-схема конструкции заявляемого эмиссионного приемника изображений, где 1 - вакуумный корпус, 2 - входное окно, выполненное в виде кварцевой собирающей линзы, 3 - субмикронной толщины поликристаллический алмазный слой, легированный бором и насыщенный люминесцирующими центрами, выполняющий функцию преобразования картины изображений в потоках УФ фотонов в изображение в фотонах видимой части оптического диапазона, 4 - фотокатод, расположенный на тыльной стороне входного окна, 5 - микроканальная пластина (МКП), 6 - катодно-люминесцентный экран (КЛЭ), 7 - волоконно-оптическая пластина (ВОП), 8 - контакты к базовым элементам ЭОП.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.

На входное окно УФ-С ЭОП, выполненное в виде кварцевой линзы, с расположенным на его внешней поверхности сенсорно-преобразовательным слоем из поликристаллического алмаза легированного бором и насыщенного люминесцирующими центрами, проецируется картина изображений в жестком УФ субмикронных объектов. Проецирование, со необходимым увеличением размеров изображения ~ в 400-1000 раз, может осуществляться зеркальным ультрафиолетовым объективом. Сенсорно-преобразовательный слой преобразует изображения объекта в УФ излучениях в картину изображений тех же объектов в видимой части оптического диапазона (590…640 нм - в случае использования люминесцирующих NV-центров, либо ~ 735 нм - в случае использования люминесцирующих SiV - центров). Полученная картина изображений в фотонах видимой части оптического диапазона фокусируется в плоскость фотокатода, расположенного на тыльной стороне входного окна-линзы, и чувствительного к излучениям видимой части оптического диапазона (ВД). Фотокатод пропорционально преобразует, полученную картину изображений объектов в фотонах видимой части оптического диапазона, в картину изображений этих же объектов, но в фотоэлектронах, которая затем проецируется на приемную поверхность микроканальной пластины, и проходя сквозь него пропорционально усиливается. Усиленная (благодаря многокаскадному умножению потоков вторичных электронов) в МКП картина изображения объектов во вторичных электронах проецируется на катодолюминесцентный экран (КЛЭ), расположенный на волоконно-оптической пластине (ВОП), чувствительный слой которого осуществляет обратное пропорциональное преобразование электронной картины изображений объектов в картину объектов в потоках фотонов видимой части оптического диапазона. КЛЭ располагается на ВОП, для того чтобы воспрепятствовать ухудшению контраста финишного оптического изображения при выводе его из вакуумированного корпуса. Изображение на выходном экране предлагаемого приемника архитектуры ЭОП может восприниматься визуально, либо переводиться в цифровое изображение, посредством использования матричного фотоприемника, считывающего изображение с внешней поверхности ВОП, являющейся выходным окном ЭОП.

Ожидаемая токовая чувствительность предлагаемого эмиссионного приемника-преобразователя составит 50-60 мА/Вт - при работе в диапазоне 150-280 нм, и 30-40 мА/Вт - при работе в диапазоне 20-120 нм. Пространственное разрешение при диагностике субмикронных объектов (оно составит ~ 20-40 нм) будет определяться зеркальным, например, 3-х линзовым, объективом, располагаемым между объектом и входным окном заявляемого ЭОП. При коэффициенте увеличения входным зеркальным объективом УФ изображений субмикронных объектов в ~ 400-1000 раз, заявляемый нами эмиссионный приемник-преобразователь ограничивать пространственное разрешение не будет (размеры кристаллитов поликристаллических алмазных пленок находятся в диапазоне 200-400 нм).

Примеры расчета геометрии линзы входного окна для заявляемого приемника преобразователя.

Рассчитаем положение фокальной плоскость входного окна приемника-преобразователя, предоставляющей собой выпукло толстую линзу (Фиг. 4).

Используя подход, развитый в [12], для связи между расстоянием от задней фокальной плоскости до тыльной поверхности толстой линзы (см. Фиг. 4) получаем следующее соотношение (в рассматриваемом случае апертура линзы равна 2*R₁):

Найдем параметры линзы, при которых фокальная плоскость совпадает с плоскостью тыльной стороны толстой линзы входного окна ЭОП (S_F=0):

Пример расчета линзы.

1) Пусть апертура линзы равна 30 мм, R₁=15 мм. Тогда, при показателе преломления линзы n=1,458 (кварц, λ=600 нм) получаем:

2) При апертуре равной 15 мм,R₁=7,5 мм, и n=1,458 получаем:

Таким образом, результаты расчетов и предварительных экспериментальных исследований сенсорно-преобразовательных слоев на основе поликристаллических алмазных пленок легированных бором и насыщенных люминесцирующими центрами, и на их основе конструкции приемника-преобразователя УФ-С изображений, показали пригодность предлагаемой конструкции выполнять функцию бесконтактной неразрушающей регистрации и распознавания изображений субмикронных объектов, в том числе биологических. По сравнению с существующими аналогами, заявляемый приемник является компактным, термостойким и радиационно-стойким, стойким к механическим воздействиям, позволяет отслеживать поведение объектов в динамике, допускает оцифровку изображений.

Источники информации

[1]. Photomultiplier tubes // Hamamatsu: Publisher Hamamatsu Photonics R.R. (Electron Tube Division), p.34-35. 2007.

[2]. Беспалов B.A., Глазов B.M., Ильичев Э.А., Климов Ю.А., Куклев С.В., Кулешов А.Е., Набиев P.M., Петрухин Т.Н., Потапов Б.Г., Рычков Г.С., Соколов Д.С., Фандеев В.В., Фетисов Е.А., Якушов С.С. Разработка и исследование приемников изображений ультрафиолетового диапазона. // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. № 4. С. 74-82.

[3]. Беспалов В.А., Ильичёв Э.А., Казаков И.П., Кирпиленко Г.А., Козлитин А.И., Минаков П.В., Сарайкин В.В., Клековкин А.В., Куклев С.В., Петрухин Т.Н., Рычков Г.С., Соколов Д.С., Теверовская Е.Г. Особенности характеристик солнечно-слепых электронно-оптических преобразователей с алмазными фотокатодами // Письма в журнал технической физики. 2021, № 9, с. 3-6 (DOI: 10.21883/PJTF.2021.09.50897.18480).

[4]. V.A. Bespalov¹, Е.A. Il'ichev¹, I.P. Kazakov², G.A. Kirpilenko¹, A.I. Kozlitin³, Р.V. Minakov⁴, V.V. Saraikin³, А.V. Klekovkin², S.V. Kuklev⁵, G.N. Petrukhin^1,6, G.S. Rychkov¹, D.S. Sokolov⁵, E.G. Teverovskaya¹ Image Converter Tubes with Diamond Photocathodes and Electron Flow Multipliers // Diamond and related materials Volume 120, December 2021, 108603, https://doi.Org/10.1016/j.diamond.2021.108603.

[5]. Патент США № 6847027 - прототип.

[6]. Bogdanov S.A. et al. Optical investigation of as-grown NV centers in heavily nitrogen doped delta layers in CVD diamond // Materials Today Communications. - 2020 - Vol. 24. - P. 101019.

[7]. Ekimov E.A. et al. Anharmonicity effects in impurity-vacancy centers in diamond revealed by isotopic shifts and optical measurements // Physical Review B. - 2017 - V 95. - № 9.

[8]. E.A. Екимов, M.B. Кондрин Примесно-вакансионные комплексы в алмазе: перспективы синтеза и применений // Успехи физических наук Том 187, № 6 Июнь 2017 г.

[9]. Elke Neu, Mario Agio, Christoph Becher Photophysics of single silicon vacancy centers in diamond: implications for single photon emission // Optical Society of America 2012.

[10]. Nina Felgen, Boris Naydenov et al. Incorporation and study of SiV centers in diamond nanopillars // Diamond & Related Materials 2016.

[11]. Патент РФ на изобретение №2738767 C1.

[12]. И.А. Турыгин. Прикладная оптика. Т. 1. Изд. Машиностроение, 1965 г.

Изобретение относится к эмиссионным приемникам изображений объектов, излучающих либо отражающих в диапазоне жесткого ультрафиолета. Технический результат – возможность регистрации и распознавания в оптическом режима объектов субмикронного размера. Эмиссионный приемник-преобразователь изображений содержит входное окно в виде собирающей линзы, на внешней поверхности которой расположен сенсорно-преобразовательный слой, преобразующий изображение в УФ-С фотонах в изображение в фотонах видимой части оптического диапазона. 4 ил.

Эмиссионный приемник-преобразователь изображений, представляющий совокупность последовательно интегрированных в вакуумированном корпусе входного окна, фотокатода на его тыльной стороне, микроканальной пластины, катодно-люминесцентного экрана, расположенного на поверхности волоконно-оптической пластины, отличающийся тем, что входное окно выполнено в виде собирающей линзы, фокальная плоскость которой приходится на его тыльную поверхность, а на внешней поверхности входного окна расположен субмикронной толщины поликристаллический алмазный слой, легированный бором и насыщенный люминесцирующими центрами.