Фотоэлектронный умножитель Советский патент 1984 года по МПК H01J40/16 

XX/

-V

(гУ

X

С/}

Х2

о

00 00 ND СЛ Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройствам, преобразующим электромагнитное излучение в электрический сигнал фотоумножителям. Наиболее распространенным устройством для регистрации электромагнитного излучения в широком диапазоне спектра-от 10 (гамма-изл чение) до 1, см (ближнее инфра красное излучение) является фото: электронный умножитель (ФЭУ). Основ,ными конструктивно-функциональными элементами ФЭУ являются фотокатод, которьй за счет внешнего фотоэффекта преобразует падающую на него лучистую энергию в фотоэлектроны; входная электронно-оптическая система, обеспечивающая сбор фотоэлектронов со всей поверхности фотокатода и фокусировку их на вход умножительной системы, собственно умножительная система, в которой за счет вторичной эмиссии происходит усиление фототока, система сбора выходного тока. Известен фотоэлектронный умножитель, в котором в качестве умножительного элемента используется активированная цезием пленка из окиси магния. Пленка нанесена на массивную подложку и работает на отражение tU Указанная конструкция ФЭУ свободна от некоторых недостатков, прису- щих ФЭУ с динодными системами умножения, однако она обладает существенным недостатком, исключающим ее практическое применение - даже при ускоряющем фотоэлектроны напряжении десять киловольт усиление фототока на пленке не превышает 10.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является фотоэлектронный умножитель, содержащий фотокатод, усилительную систему и анод r2j. В данном фотоумножителе в качест умножительной системы используется микроканальная пластина (МКП). ФЭУ, содержащий МКП, нормально работает ...„ . .. при вакууме рт.ст., так как только при таком вакууме можно избежать разрушения фотокатода в результате бомбардировки его положи тельными ионами, образующимися из атомов остаточных газов. В то же время известно, что МКП представляе собой объемную структуру, содержащую до 10 каналов диаметром 8-10 мкм. Это обстоятельство чрезвычайно затрудняет откачку воздуха из каналов, в результате чего вакуумные приборы с НКП откачиваются в течение десятков часов. Согласно расчетам полное удаление воздуха из каналов ККП происходит только после откачки в течение . Ускорить процесс обезгаживания МКП путем термической обработки в процессе откачки невозможно, так как при нагреве выше из-за испарения свинца, образующего в каналах вторично-эмиссионный слой, МКП приходит в негодность. На одной МКП возможно получить усиление фототека до 10. Система из двух МКП может усилить первичный фототок до , однако при этом возникают значительные трудности при взаимном совмещении каналов. Цель изобретения - упрощение конструкции фотоэлектронного умножителя. Поставленная цель достигается тем, что в фотоэлектронном умножителе, содержащем фотокатод, усилительную систему ианод, усилительная система выполнена в виде трехслойной металл-диэлектрик-металл или металл-диэлектрик-полупроводник структуры, при значении удельного сопротивления диэлектрика Ю 10 Омгсм. Использованные в таком устройстве структуры ЩМ или МДП обладают эффектом электронно-возбужденной проводимости. Физическая сущность эффекта электронно-возбужденной проводимости (ЭВИ). заключается в том, что при облучении тонкой диэлектрической пленки, образованной на основании из металла либо полупроводника (кремний, германий), элек.трон-ами, энергия . которых достаточна для проникновения сквозь всю толщу пленки, в результате ионизации атомов диэлектрика его сопротивление в месте взаимодействия с электронами изменяется и на противоположной стороне пленки возникает ток на несколько порядков больше тока первичных электронов. После прекращения воздействия первичными электронами свойства пленки полностью восстанавливаются. Время восстановления зависит от ряда факторов и может быть очень коротким (до 10 m-о с ). Для осуществления механизма ЭВП 1 диэлектрической пленке должно быть

приложено напряжение. Изменяя величину этого напряжения, можно в широких пределах изменять коэффициент усиления тека. Величина напряжения, приложенного к пленке, должна быть согласована с толщиной пленки таким образом, чтобы напряженность поля не превьшала электрическую прочность материала пленки.

В качестве слоя, в котором происходит размножение электронов благодаря эффекту ЭБП, могут быть использованы диэлектрические материалы, в которых при напряженности поля, необходимой для возникновения ЭВП, плотность тока через диэлектрический слой (пленку) должна быть на 1-2 порядка ниже плотности первичного фототока. В противном случае ток, обусловленный собственной проводимостью диэлектрика, при данной напряженности поля будет превьшатд ток ЭВП.

Использование эффекта ЭВП для создания ФЭУ возможно только при выполнении некоторых количественных граничных условий,обусловленных следующими обстоятельствами: фототок практически всех типов существующих ФЭУ, определяется энергетической . эффективностью используемого фотока- тода и .не превышает . Для . регистрации усиленного фототока ток собственной проводимости диэлектрического слоя ЭВП-структуры должен быть на 1-2 порядка ниже, т.е. не превьш1ать А. Диэлектрические свойства подавляющего большинства оксидных слоев, полученных в МДП- или 1УЩМ-структурах, имеют верхНИИ предел удельного сопротивления 10-10 Ом-см. С другой стороны, электрическая прочность практически всех диэлектриков в ВДП- или М,ЦМструктурах не превьшает Ю В/см. Из изложенного следует, что при практическом использовании ЭВП в ФЭУ величина напряженности поля на диэлектрическом слое и плотность тока, . протекающего через этот слой, оказываются взаимосвязаны и определяются свойствами материала.

На фиг. 1 схематически изображен ФЭУ, в котором для умножения фотоэлектронов использован эффект ЭВП, на фиг. 2 - экспериментальная зависимость выходного тока от величины управляющего напряжения.

На входное стеклянное окно 1 нанесен полупрозрачный фотокатод2. Фотоэлектроны, возникающие в фотокатоде, ускоряются напряжением отисточника«3 (Е-) и попадают на МДПлибо МДМ-структурн, обладающую ЭВП эффектом. Данная структура состоит из диэлектрической пленки 4, образованной на металлической или полупроводниковой подложке 5. Сверху на пленку нанесена тонкая пленка 6 металла, являющаяся электродом для приложения к диэлектрической пленке управляющего усилением напряжения источника 7 (Б ), которое измеряется прибором 8. Прибором 9 измеряется входной фототок.

При попадании светового потока на фотокатод 2 в последнем генерируется поток электронов, который источником 3 ускоряется и, проникнув сквозь входной электрод, попадает на ЗДПлибо МДМ-структуру, обладающую эффектом ЭВП. Источник 7 служит для управления величиной усиления структуры.

В качестве примера осуществления регулировки усиления-ЩЦ1-структуры на фиг. 2 приведена экспериментальная зависимость выходного тока (1) от величины управляющего напряжения (Бо снятая на ВДП-структуре со следующим характеристиками: материал подложки (основы) - кремнийj диэлектрическая пленка - окись кремния (SiO); TOgщина диэлектрической пленки 6000 А , верхний электрод - серебро толщиной 1300 А J ускоряющее напряжение фотоэлектронов 20 кВ; напряжение, приложенное к диэлектрической пленке, 0-200 В, (что соответствуетнапряженности .поля 1,540 В/см).

Из приведенной зависимости видно, что изменением напряжения, приложенного к диэлектрической пленке, можно в широких пределах изменять коэффициент усиления тока вплоть до 10раз

Следует отметить, что с уменьшени толщины диэлектрической пленки и плеки, образующей верхний электрод, что вполне возможно, величина ускоряюще гЬ фотоэлектроны напряжения может быть значительно снижена.

Предлагаемый ФЭУ, в котором умножение фотоэлектронов происходит с использованием явления электронновозбужденной проводимости, имеет ряд

S1083251

очевидных преимуществ перед иэвестныниствами регулировать величину усилеФЭУ. Кроме значительного упрощенияния фототока что весьма ваяшо для

конструкции и не менее значительногомногих областей применения ФЭУ, в

упрощения технологии изготовления,частности при работе со спинтйлляциФЭУ и ЭВП позволяет простейшими сред- 5онными кристаллами.

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ, содержащий фотокатод, усилительную систему и анод, о т л и ч а и йс я тем, что, с целью упрощения конструкции, усилительная система выполнена в виде трехслойной металлдиэЛектрик-металл или металл-диэлектрик-полупроводник структуры при значении удельного сопротивления диэлектрика 10 -10 Ом.см.

юо

20кВ

)

200

фиг. 2