RU2221309C2 - Electron flow intensifier - Google Patents

Abstract

FIELD: electronic engineering; image converters. SUBSTANCE: electron flow intensifier is made in the form of solid state strip with electron flow incident on one of its sides and with secondary electron emission occurring on its opposite side; novelty is that resolving power μ measured in line/mm is enhanced by making active region of intensifier in the form of semiconductor material whose thickness h does not exceed 1/μ. Active region of intensifier may be made of diamond film or of group A₃B₅ material. Secondary electron flow is enhanced by covering secondary-electron emission surface with additional layers of metals having low photoelectric work function or with their oxides. So, effective region of intensifier is made in the form of combination of non-contacting active regions whose density ρ referred to 1 sq. mm is related to resolving power through expression

or combination of active regions possessing configuration enabling easy superposition of round-holes stencil onto effective region; density ρ of these round holes meets condition

Description

Изобретение относится к электронной оптике и может быть использовано в электронно-оптических преобразователях (ЭОП). The invention relates to electronic optics and can be used in electron-optical converters (image intensifier tubes).

Известны микроканальные пластины приборов ночного видения Дедал-200 [1], Даркос NGB/1 [2], обеспечивающие разрешающую способность 25-45 лин/мм. Known microchannel plate night vision devices Daedalus-200 [1], Darcos NGB / 1 [2], providing a resolution of 25-45 lines / mm.

Усилители электронного потока (УЭП) [3] представляют собой микроканальную пластину (МКП) со сквозными микроканалами, в которых падающий электронный поток под действием поля рождает вторичные электроны, дающую возможность довести разрешающую способность при существующей технологии до 64 лин/мм. The electron flux amplifiers (UEP) [3] are a microchannel plate (MCP) with through microchannels in which the incident electron flux gives rise to secondary electrons under the action of the field, which makes it possible to increase the resolution with the existing technology to 64 lines / mm.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является усилитель электронного потока в ЭОП-ах третьего поколения OMN1 III и OMN1 IV [4], обеспечивающих разрешающую способность 53-64 лин/мм, который включает микроканальную пластину 1 (см. фиг. 1), в которой сформированы сквозные микроканалы 2, наклоненные к поверхности пластины под углом 80-85^o. Первичные электроны 3, попадая в микроканалы, за счет соударений со стенками каналов рождают вторичные электроны, которые под действием приложенного поля выходят с противоположной стороны пластины. Из рассмотрения принципа действия такого усилителя непосредственно следует, что разрешающая способность такого усилителя всегда будет меньше, чем Sinα/d, где d - диаметр микроканала. Существующая технология позволила довести диаметр каналов в изделиях OMN1 IV до 6 мкм. Это повысило разрешающую способность до 53-64 лин/мм. Невозможность получить при существующей технологии размер каналов менее 6 мкм заставляет производителей ЭОП искать другие пути увеличения разрешающей способности, так как для целого ряда приложений необходимо получить разрешающую способность в пределах площади 80 мм² не хуже чем 100 лин/мм.Closest to the claimed technical solution is the electron beam amplifier in the image tube of the third generation OMN1 III and OMN1 IV [4], providing a resolution of 53-64 lines / mm, which includes a microchannel plate 1 (see Fig. 1), in which formed through microchannels 2 inclined to the surface of the plate at an angle of 80-85 ^o . Primary electrons 3, falling into microchannels, due to collisions with the walls of the channels give rise to secondary electrons, which, under the action of the applied field, exit from the opposite side of the plate. From a consideration of the principle of operation of such an amplifier, it immediately follows that the resolution of such an amplifier will always be less than Sinα / d, where d is the diameter of the microchannel. Existing technology has made it possible to bring the diameter of the channels in OMN1 IV products to 6 microns. This increased the resolution to 53-64 lines / mm. The inability to obtain a channel size of less than 6 microns with the existing technology makes the image intensifier tube manufacturers look for other ways to increase the resolution, since for a number of applications it is necessary to obtain a resolution within the area of 80 mm ² no worse than 100 lines / mm.

Цель получения разрешающей способности не хуже μ лин/мм на площади 100 мм² достигается тем, что активная область усилителя выполнена в виде полупроводникового материала с толщиной h, не превышающей 1/μ лин/мм.The goal of obtaining a resolution of no worse than μ lin / mm over an area of 100 mm ^{2 is} achieved by the fact that the active region of the amplifier is made in the form of a semiconductor material with a thickness h not exceeding 1 / μ lin / mm.

Если h=1/μ и энергия падающего электрона Е_е такова, что электрон не проходит сквозь пластину, а отдает свою энергию на рождение в зоне проводимости полупроводника вторичных электронов в количестве порядка

, где

- средняя энергия ионизации электрона в полупроводнике, то рожденные электроны будут сосредоточены в области, размеры которой не превышают 1/μ.If h = 1 / μ and the incident electron energy E _e is such that the electron does not pass through the plate, but gives its energy to birth in the amount of the order of the secondary electron semiconductor

where

is the average ionization energy of an electron in a semiconductor, then the generated electrons will be concentrated in a region whose sizes do not exceed 1 / μ.

Преодолевая поверхностный барьер путем туннелирования или путем получения тепловой энергии, вторичные электроны выходят с пластины в основном в пределах круга диаметром 1/μ, чем и достигается необходимое разрешение. Количество эмиттируемых вторичных электронов существенно зависит от поверхностного барьера, который для алмазной пленки и пленки из GaAs существенно понижается напылением нескольких атомарных слоев Cs. Overcoming the surface barrier by tunneling or by generating thermal energy, secondary electrons exit the plate mainly within a circle with a diameter of 1 / μ, which achieves the necessary resolution. The number of emitted secondary electrons depends significantly on the surface barrier, which for a diamond film and a GaAs film is significantly reduced by sputtering several atomic layers of Cs.

Поскольку разрешающая способность обратно пропорциональна толщине активной части пластины, а при уменьшении толщины активной части уменьшается механическая прочность пластины, то она может лежать на сетке, обеспечивающей необходимую прочность. В случае сетки с прямоугольными ячейками шаг по одному из направлений не должен превышать 1/μ. Since the resolution is inversely proportional to the thickness of the active part of the plate, and when the thickness of the active part decreases, the mechanical strength of the plate decreases, it can lie on a grid that provides the necessary strength. In the case of a grid with rectangular cells, the step in one of the directions should not exceed 1 / μ.

На чертежах представлен разрез части предлагаемой конструкции, иллюстрирующий принцип работы усилителя. The drawings show a section of part of the proposed design, illustrating the principle of operation of the amplifier.

На фиг. 2 изображена конструкция усилителя, где
1 - кремниевая пластина КЭФ 4,5;
2 - алмазная пленка р-типа толщиной 2,5 мкм;
3 - напыленный Cs толщиной в несколько атомарных слоев;
4 - омические контакты к кремнию;
5 - отверстие в кремнии диаметром 8 мм.In FIG. 2 shows the design of the amplifier, where
1 - silicon wafer KEF 4,5;
2 - p-type diamond film 2.5 microns thick;
3 - sprayed Cs with a thickness of several atomic layers;
4 - ohmic contacts to silicon;
5 - hole in silicon with a diameter of 8 mm.

На фиг. 3 изображена алмазная пленка 1, на которую падает электронный пучок 2 и в которой он рассеивается в конусе 3, порождая в этом конусе вторичные электроны, выходящие из пленки 1 через слой Cs 4 в основании конуса 5. На фиг. 3:
1 - алмазная пленка;
2 - электронный поток;
3 - конусообразная область рассеивания электронов;
4 - напыленный слой Cs;
5 - круг, с площади которого происходит эмиссия вторичных электронов.In FIG. 3 shows a diamond film 1 onto which an electron beam 2 is incident and in which it is scattered in a cone 3, generating secondary electrons in this cone emerging from the film 1 through a layer of Cs 4 at the base of the cone 5. FIG. 3:
1 - diamond film;
2 - electronic stream;
3 - conical region of electron scattering;
4 - sprayed layer of Cs;
5 - a circle from the area of which secondary electron emission occurs.

Конструкция усилителя электронного потока представлена на фиг. 2. Она состоит из кремниевой пластинки 1 КЭФ 4,5, на которую в плазме нанесен алмазный слой 2 р-типа толщиной 2,5 мкм. С обратной стороны кремниевой пластины наносится металл, образующий омический контакт 3 к кремнию. Затем кремниевая пластина травится со стороны контакта 3 через маску диаметром 80 мм до алмазной пленки 2. Посредством травления в кремнии образуется отверстие диаметром 8,0-8,5 мм, которое обеспечивает свободный доступ электронов к алмазной пленке со стороны кремния. С помощью распыления Cs в вакууме на лицевую поверхность алмазной пленки наносится слой 4 в несколько атомарных слоев. The design of an electron beam amplifier is shown in FIG. 2. It consists of a silicon wafer 1 KEF 4,5, on which a p-type diamond layer 2 with a thickness of 2.5 μm is deposited in the plasma. On the reverse side of the silicon wafer, a metal is deposited, forming an ohmic contact 3 to silicon. Then, the silicon wafer is etched from the contact side 3 through a mask with a diameter of 80 mm to the diamond film 2. By etching, a hole with a diameter of 8.0-8.5 mm is formed in silicon, which provides free access of electrons to the diamond film from the silicon side. By spraying Cs in vacuo, a layer 4 of several atomic layers is deposited on the front surface of the diamond film.

Фиг. 3 поясняет принцип действия усилителя. При падении на алмазную пленку 1 тонкого электронного луча 2 электроны этого луча начинают не упруго рассеиваться, порождая вторичные электроны [5] и дырки. Дырки удаляются приложением отрицательного напряжения к контакту 3 (фиг. 2), а электроны эмиттируются через поверхность, покрытую Cs. Рождаемых одним электроном число вторичных электронов оценивается как

, где Е_е - энергия падающих на поверхность алмазной пленки электронов, а

- средняя энергия ионизации, которая для алмаза приблизительно равна энергии вторичной ионизации и составляет около 24 эВ. Область, в которой рождаются вторичные электроны, - это область рассеяния первичных электронов и она представляет конус 3 с основанием, диаметр которого приблизительно равен высоте конуса. Высота конуса равна глубине проникновения первичных электронов и равна 2,5 мкм при Е_е=15 кэВ. Таким образом, основание конуса рассеяния 3 лежит на поверхности алмазной пленки 4, покрытой тонким слоем Cs. Алмазные пленки, покрытые Cs, имеют почти нулевую работу выхода [6], поэтому вторичные электроны из конуса 3 будут эмиттироваться с поверхности круга 4 при приложении внешнего электрического поля, направленного в сторону пленки перпендикулярно ей. Поскольку основание конуса определяет разрешающую способность, то она будет не хуже чем 100 лин/мм. Испытание предлагаемой конструкции в реальном ЭОП обеспечило разрешающую способность ЭОП не хуже чем 66 лин/мм, т.е. разрешение было не хуже, чем в самых лучших ЭОП.FIG. 3 explains the principle of operation of the amplifier. When a thin electron beam 2 is incident on a diamond film 1, the electrons of this beam begin to not elastically scatter, generating secondary electrons [5] and holes. Holes are removed by applying a negative voltage to pin 3 (FIG. 2), and electrons are emitted through a surface coated with Cs. The number of secondary electrons generated by one electron is estimated as

where E _e is the energy of the electrons incident on the surface of the diamond film, and

- the average ionization energy, which for diamond is approximately equal to the secondary ionization energy and is about 24 eV. The region in which secondary electrons are born is the region of scattering of primary electrons and it represents a cone 3 with a base whose diameter is approximately equal to the height of the cone. The height of the cone is equal to the penetration depth of the primary electrons and is 2.5 μm at E _e = 15 keV. Thus, the base of the scattering cone 3 lies on the surface of the diamond film 4 coated with a thin layer of Cs. Diamond films coated with Cs have an almost zero work function [6]; therefore, secondary electrons from cone 3 will be emitted from the surface of circle 4 when an external electric field is directed perpendicular to the film. Since the base of the cone determines the resolution, it will be no worse than 100 lines / mm. Testing of the proposed design in real image intensifier tubes ensured that the resolving power of the image intensifier was no worse than 66 lines / mm, i.e. resolution was no worse than in the best image intensifier tubes.

Источники информации
1. http://www.darkos.ru:8000/goggles.html.Sources of information
1.http: //www.darkos.ru:8000/goggles.html.

2. http://www.Arsenal.com. 2.http: //www.Arsenal.com.

3. А.Г.Берковский. Электронные умножители. "Электроника и ее применение" (итоги науки и техники), 1973, т.5, стр. 43-85. 3. A.G. Berkovsky. Electronic multipliers. "Electronics and its application" (results of science and technology), 1973, v.5, pp. 43-85.

4. Рекламное сообщение фирмы Litton (США), IDEX 97. 4. Advertising message of the company Litton (USA), IDEX 97.

5. "Краткий справочник по физике". Г.Эберт, М, 1963. 5. "A brief guide to physics." G. Ebert, M, 1963.

6. J. E. Yater, A. Shih and R. Abraws. Electron transport and emission properties of diamond, J. Vac. Sci. Technol. A 16(3), May/Jun 1998, pp. 913-918. 6. J. E. Yater, A. Shih and R. Abraws. Electron transport and emission properties of diamond, J. Vac. Sci. Technol. A 16 (3), May / Jun 1998, pp. 913-918.

Claims (3)

1. Усилитель электронного потока, используемый в электронно-оптических преобразователях, выполненный в виде твердотельной пластины, активная область которой представляет ту часть пластины, на которую с одной стороны падает входной поток электронов, а с противоположной стороны происходит эмиссия вторичных электронов, отличающийся тем, что активная область выполнена в виде полупроводникового материала и имеет толщину h, не превышающую 1/μ, где μ - разрешающая способность усилителя.1. The electron beam amplifier used in electron-optical converters, made in the form of a solid-state plate, the active region of which is that part of the plate on which the input electron stream falls on one side, and secondary electrons are emitted from the opposite side, characterized in that the active region is made in the form of a semiconductor material and has a thickness h not exceeding 1 / μ, where μ is the resolution of the amplifier. 2. Усилитель электронного потока по п.1, отличающийся тем, что активная область выполнена из алмазной пленки.2. The electron beam amplifier according to claim 1, characterized in that the active region is made of a diamond film. 3. Усилитель электронного потока по п.1, отличающийся тем, активная область выполнена из материала группы А₃B₅.3. The electron beam amplifier according to claim 1, characterized in that the active region is made of a material of group A ₃ B ₅ .

Images