Усилитель-преобразователь

Изобретение относится к вакуумной эмиссионной электронике и может быть использовано при конструировании изделий и устройств вакуумной электроники, приборов ночного видения, СВЧ и микроволновой электроники. Усилитель-преобразователь состоит из эмиттера на основе углеродных наноструктурированных материалов, например углеродных нанотрубок, динодов на основе алмаза либо микроструктурированного алмаза, экранирующих электродов и коллектора на основе титана либо молибдена и представляет собой интегральную электронную схему, реализующую на изолирующей подложке функцию каскадного умножителя потока электронов. Эмиттер выполняется в виде двуслойной пленочной структуры из наноструктурированного алмаза n-типа проводимости и наноразмерной толщины алмазоподобной углеродной пленки. Технический результат - повышение коэффициента усиления и уменьшение габаритов устройства. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Данное изобретение относится к вакуумной эмиссионной электронике. Оно может быть использовано в вакуумных устройствах регистрации, усиления и отображения информации в потоках электронов.

Известны умножители потока электронов (УПЭ) [1], которые усиливают первичный электронный поток, используя эффект вторичной эмиссии электронов. Потери энергии первичной частицей происходят по ионизационному механизму и коэффициент умножения (усиления) определяется отношением энергии первичного пучка к энергии образования вторичных электронов [2]. Одно из наиболее эффективных использований УПЭ - микроканальная пластина в электронно-оптических преобразователях, позволяющая усилить двумерные изображения в электронных потоках. Недостатками умножителей [1] является незначительность величины их коэффициента умножения по сравнению с традиционными оптоволоконными умножителями, которые они превосходят по другим не менее важным рабочим характеристикам, таким как пространственное разрешение, температурный диапазон работы и стойкость к радиационным воздействиям. Возможно увеличение коэффициента усиления посредством использования последовательной схемы умножения - каскадной конструкции. Однако увеличивая таким образом коэффициент усиления, мы теряем достигнутое пространственное разрешение [3] и увеличиваем размеры устройства.

Известен умножитель [4], который конструктивно наиболее близок к заявляемому устройству и выполняет функцию усилителя-преобразователя квантов света в ток (фотоэлектронный умножитель - ФЭУ). В указанном фотоэлектронном умножителе эмитирующим электроны электродом является фотокатод, выходящий с которого (пропорционально потоку световых квантов) поток первичных электронов умножается динодами, а во внешнюю цепь электрический ток результирующего потока электронов снимается с коллекторного электрода. Диноды, определяющие коэффициент умножения, выполнены на основе металлов либо полупроводников, поверхность которых активируется к процессу вторичной эмиссии оксидными либо нитридными пленками. Недостатком такой конструкции является ее относительно большие размеры, связанные с гибридным способом ее исполнения.

Целью настоящего изобретения является разработка миниатюрной интегральной схемы умножителя потока электронов, позволяющего компактно и с большим коэффициентом умножения усиливать первоначальный электронный поток, и допускающего при этом интеграцию УПЭ в электронную схему устройства, функционально выполняющего роль усилителя-преобразователя (ФЭУ) квантов света в поток электронов, его последующее умножение и преобразование, наконец, в электрический ток внешней цепи. Достигается поставленная цель посредством изготовления планарной интегральной однокристальной схемы. А именно:

1. Усилитель-преобразователь в составе эмиттера электронов, а также в определенном порядке по отношению к нему и друг к другу расположенных электродов динодов и анода, отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента усиления и уменьшения габаритов устройства диноды выполнены из алмаза, и введены экранирующие электроды, расположенные как и электроды эмиттера, динодов и коллектора в плоскости изолирующей подложки в строго заданном порядке.

2. Усилитель-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что целью реализации функции преобразователя квантов света в электронный поток, последующего его усиления и преобразования потока электронов в электрический ток внешней цепи эмиттер электронов выполнен в виде наноструктурированного легированного донорной примесью алмаза, покрытого алмазоподобной углеродной пленкой наноразмерной толщины.

3. Усилитель-преобразователь по пункту 1, отличающийся тем, что эмиттер выполнен в виде массива из углеродных нанотрубок.

4. Усилитель-преобразователь по пункту 1, отличающийся тем, что диноды выполнены из алмаза с микроструктурированной поверхностью и слабо легированного акцепторами, а профиль внутренней поверхности динодов в зависимости от задач имеет строго определенную форму.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Условные обозначения:

Е - автоэмиттер;

К - коллектор электронов;

D₁…D₈ - диноды 1…8;

G₁…G₈ - барьерные электроды 1…8.

Архитектура и конструкция схемы, представленная на чертеже, состоит из изолирующей подложки, на которой в строго определенном порядке расположены эмитирующий электроны автоэмиттер Е, диноды (массив электродов под номерами D₁,…,D_n) - последовательно умножающие поток первичных электронов, коллектор (электрод под номером К) - принимающий поток электронов с последнего (под номером D_n) динода, экранирующие электроды (массив электродов под номерами G_i). Автоэмиттер Е выполнен на основе, например, углеродных нанотрубок либо наноструктурированных углеродных материалов (например, ребристого углерода); основа динодов (D_i) выполнена из микроструктурированной алмазной пленки р-типа проводимости; коллектор (К) выполнен из термостойкого материала с низким коэффициентом вторичной эмиссии (например, тантал либо молибден).

Для более полного понимания изобретения ниже приводится пример его изготовления. На лицевой стороне изолирующей подложки осаждают металл и по заданному рисунку с помощью фотолитографии формируют контактные площадки; затем посредством магнетронного напыления осаждают пленку молибдена субмикронной толщины и формируют по заданному рисунку металлические электроды. Указанные электроды выполняют функцию как проводящей основой для осажденных затем эмитирующего покрытия и динодов, так и коллектора. Затем с помощью фотолитографии располагают по заданному рисунку зародыши из нанокристаллитов алмаза и выращивают по этому рисунку способом газофазной эпитаксии при стимуляции роста плазмой (PECVD методом) микроструктурированную алмазную пленку [5], слаболегированную акцепторами, формируя, таким образом, диноды. Далее, посредством PECVD метода с использованием наноразмерных капель катализатора как своеобразных нанореакторов для роста УНТ, сформированных на подложке на электроде из молибдена, по заданному рисунку посредством фотолитографии выращивают [6] массивы углеродных нанотрубок, формируя эмиттер и заканчивая тем самым процесс формирования устройства. Для реализации функции преобразователя квантов света в поток электронов эмиттер выполняют в виде двухслойной пленочной структуры: наноструктурированный алмаз n-типа проводимости и слаболегированная алмазоподобная углеродная пленка [7].

Заявляемое устройство может быть эффективно использовано как непосредственно в качестве усилителя-преобразователя в системах, детектирующих слабые потоки в оптическом и ближнем ИК-диапазонах, так и в системах, детектирующих слабые потоки ионизирующих излучений (многоканальные детекторные модули).

Области применения: атомные станции, предприятия, перерабатывающие отходы ядерных материалов, предприятия добычи и обогащения радиоактивных материалов и т.д.

Литература

1. Гаврилов Сергей Александрович, Ильичев Эдуард Анатольевич, Полторацкий Эдуард Алексеевич, Рычков Геннадий Сергеевич.// Патент РФ, №2222072, Усилитель электронного потока, 20.01.2004, приоритет от 16.11.2000 г.

2. В.Б.Берестецкий, Е.М.Лившиц, Л.П.Питаевский. // Релятивистская квантовая теория, ч.1. Изд. «Наука», Москва 1968.

3. Dolon P.J., Niklas W.F. "Gain Resolution of Fiber Optic Intesifier". Proc. of the Image intensifier Symposium, October 24-26, 1961 Fort Belvoir, Virginia, pp.93-103.

4. И.И. Анисимова, Б.М. Глуховской. Фотоэлектронные умножители. Москва «Советское радио» 1974.

5. С.А.Гаврилов, Н.Н.Дзбановский, Э.А.Ильичев, П.В.Минаков, Э.А.Полторацкий, Г.С.Рычков, и др. Усилитель электронного потока. // Патент РФ, №2221309 10.01.2004, приоритет от 15.06.2000.

6. Liu X., Lee С., Han S., Li C., Zhou С."Carbon nanotubes: synthesis, devices, and integrated systems".// Molecular nanoelectronics. American Science Publishers. 2003 p.1-20.

7. Э.А.Ильичев, М.А.Негодаев, В.Э.,Немировский, Э.А.Полторацкий, Г.С.Рычков. // Патент РФ, №2335031, 27.09.2008, приоритет от 17.10.2006.

1. Усилитель-преобразователь, состоящий из эмиттера электронов, а также в определенном порядке по отношению к нему и друг к другу расположенных электродов динодов и анода, отличающийся тем, что диноды выполнены из алмаза и введены экранирующие электроды, расположенные, как и электроды эмиттера, динодов и коллектора, в плоскости изолирующей подложки.

2. Усилитель-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эмиттер электронов выполнен в виде наноструктурированного легированного донорной примесью алмаза, покрытого алмазоподобной углеродной пленкой наноразмерной толщины.

3. Усилитель-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эмиттер выполнен в виде массива из углеродных нанотрубок.

4. Усилитель-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что диноды выполнены из алмаза с микроструктурированной поверхностью и слаболегированного акцепторами.