Электронно-оптический визуализатор и способ его изготовления



Электронно-оптический визуализатор и способ его изготовления
Электронно-оптический визуализатор и способ его изготовления
Электронно-оптический визуализатор и способ его изготовления
Электронно-оптический визуализатор и способ его изготовления
Электронно-оптический визуализатор и способ его изготовления

 


Владельцы патента RU 2558387:

ЖУКОВ Николай Дмитриевич (RU)

Изобретение относится к преобразователям невидимых электромагнитных излучений (инфракрасного, рентгеновского, ультрафиолетового, гамма-излучения) в видимое. Может быть использовано в устройствах визуализации, работающих на аналоговых и цифровых принципах. Визуализатор выполнен как стеклянный вакуумно-герметичный корпус-пакет формы таблетки, состоящий из двух стеклянных крышек, катодной и анодной, имеющих пленочные электродные покрытия, склеенных вакуум плотно по краю низкоплавким свинцовым стеклом. Между крышками расположена микрокапиллярная пластина (МКП). Катодная и анодная крышки корпуса выполнены из термопрочного стекла, анодная - тонкая (0,5-1 мм), катодная - предельно тонкая (менее 0,5 мм). Катодная крышка доводится в собранном пакете шлифовкой тонким абразивом и химико-механической полировкой. МКП механически, электрически и оптически плотно присоединена к анодной и катодной крышкам благодаря технологической подгонке размеров и атмосферному давлению на крышки собранного вакуумированного пакета. Катод выполнен из материалов двух несовместимых вариантов - не чувствительного или, наоборот, чувствительного к свету визуальной люминесценции. Анодная пленка выполнена из прозрачного проводящего материала и имеет показатель преломления и толщину, обеспечивающие интерференционное пропускание света визуальной люминесценции. Люминофор и газопоглотитель выполнены в виде покрытий нанопорошков на поверхности микрокапилляров МКП. Нанопорошки наносятся из общей суспензии в легко летучей жидкости после ее «пропитки» микрокапилляров с последующим испарением при подогреве светом и одновременном воздействии на МКП ультразвуком. Количества люминофора и газопоглотителя варьируются и подбираются в конкретных вариантах визуализаторов путем изменений состава суспензии. Яркость и четкость получаемого на выходе изображения готового прибора регулируются изменением напряжения на МКП в широком диапазоне его величин. Технический результат - улучшение управляемости параметрами изображения; повышение долговечности чувствительного катода, увеличение удельной площади люминофорного и газопоглощающего покрытий; расширение функций работы и применений. 5 ил.

 

Изобретение относится к преобразователям невидимых электромагнитных излучений (инфракрасного, рентгеновского, ультрафиолетового, гамма-излучения) в видимое. Может быть использовано в устройствах визуализации, работающих на аналоговых и цифровых принципах.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Преобразование невидимых электромагнитных излучений (ЭМИ) инфракрасного, рентгеновского, ультрафиолетового, гамма-излучения - в видимое является важной областью науки и техники [1, 2]. Приборы визуализации называют визуализаторами. Визуализаторы бывают двух видов - «пассивные», без усиления, и «активные», с усилением.

Визуализаторы без усиления действуют как прямые преобразователи излучений. Известен, например, рентгеновский люминесцентный экран [3], в котором рентгеновское излучение напрямую преобразовывается в видимое люминесцентное слоем рентгеночувствительного люминофора.

Преимуществом этих визуализаторов является простота их конструкций и способов изготовления. Их существенный недостаток - плохая чувствительность преобразования.

Визуализаторы с внутренним усилением действуют как преобразователи излучений, в которых преобразование происходит в несколько этапов. Сначала под воздействием ЭМИ происходит эмиссия электронов, а затем энергия электронов преобразуется в видимое излучение. Такие преобразователи называют электронно-оптическими (ЭОП).

Известно большое число вариантов ЭОП и визуализаторов на их основе [4]. Принципиальная схема их действия заключена в том, что слабое внешнее излучение создает эмиссию электронов в слое окна прибора, поток которых усиливается полем и направляется на анод. На аноде электроны бомбордируют слой люминофора, который излучает свет.

ЭОПы первых вариантов имеют систему электродов для усиления потока электронов. Они - сравнительно громоздки и не экономичны.

ЭОПы высоких классов сложности и эффективности имеют в качестве усилителя потока электронов микроканальную пластину (МКП). Это позволяет резко уменьшить габариты устройства, снизить энергопотребление, повысить эффективность преобразования.

Структура МКП и ее действие.

МКП представляет собой соты, образованные большим числом микроканалов - микрокапилляров с внутренней полупроводящей поверхностью, фиг.1 [5]. Ось капилляров наклонена к плоскости пластины (обычно, до 20°). Когда налетающая частица-корпускула (электрон, фотон, рентгеновский или гамма-квант) попадает в канал, из его стенки она выбивает электроны, которые ускоряются электрическим полем, созданным напряжением, приложенным к концам канала. Электроны летят по своим траекториям, пока не попадут на стенку, в свою очередь, выбивая еще большее число электронов. Этот процесс по мере пролета вдоль канала повторяется много раз, формируя электронную лавину. Коэффициент усиления в канале g определяется соотношением: g=exp(G·(L/w), где G - коэффициент вторичной эмиссии, который зависит от свойств материала стенки канала, приложенного напряжения V, угла наклона оси канала к плоскости пластины; L и w - длина и диаметр канала. Отношение L/w (калибр) у стандартных МКП в пределах до 100. Значения коэффициента усиления потока электронов - 10-105.

На фиг.2 показаны (справочно) графики кривых усиления для МКП.

На фиг.3 схематично показан разрез ЭОП в обычной схеме применения МКП.

В России налажено производство МКП [6] специально для целей усиления электронного потока с параметрами: диаметр пластинок - 10-50 мм, толщина - более 0,2 мм, диаметр каналов - до 10 мкм.

Описание и критика аналогов и прототипа.

В современных ЭОП обычно используется фотокатод на основе арсенида галия (GaAs), активированного на поверхности окисью цезия (Cs:O). Фотокатод очень требователен к величине остаточного давления и легко подвержен отравлению, что приводит к падению его чувствительности и сокращению срока службы ЭОП. Поэтому используется защита фотокатода в виде ионно-барьерной пленки, нанесенной на входную поверхность МКП. Ионно-барьерная пленка предотвращает выход из каналов МКП положительных ионов и нейтральных газов и, тем самым, сохраняет фотокатод, что увеличивает срок службы прибора. Однако использование ионно-барьерной пленки имеет отрицательные стороны. Ее применение ухудшает такие характеристики ЭОП, как отношение сигнал - шум, разрешение, уровень темнового фона, что снижает качество изображения и уменьшает дальность действия прибора.

В работе [8] показано, что длительное термическое обезгаживание при температуре между 300 и 520°С и электронная очистка позволяют уменьшить последующую десорбцию газов до столь низких величин, что они могут быть сорбированы соответствующим газопоглотителем.

Известен ЭОП [9], не содержащий ионно-барьерной пленки, с заявленной долговечностью 7500 ч. Он содержит фотокатод, микроканальную пластину, приемник, например люминесцентный экран, титано-танталовый проволочный газопоглотитель, которые помещены в корпус ЭОП, заполненный до определенного давления цезием. Недостатком данного технического решения является плохая долговечность прибора, так как цезий не образует устойчивых соединений с внутрикорпусными элементами прибора и не обладает достаточной сорбционной способностью для обеспечения длительного срока службы порядка 15-20 тыс.ч.

Известен электронно-оптический преобразователь [7], выбранный как прототип заявленному, который содержит катод 1 и анод-экран 3, микроканальную пластину МКП 2 (фиг.3, 4). Каждый канал МКП обеспечен индивидуальным газопоглотителем в виде покрытия 8 (фиг.3) из вещества или соединения двух или более веществ, имеющих высокую сорбционную способность и коэффициент вторичной эмиссии больше единицы, например, из соединения цезия с сурьмой или теллуром. Кроме того, МКП имеет индивидуальные газопоглотители на входной (от катода) и выходной (от анода) поверхностях. Анод-экран (плоская пластина) имеет слой люминофора, покрытый сверху для его защиты и улучшения газопоглощения пленкой алюминия и газопоглотителя 9. Вторичные электроны выходят из МКП и под действием потенциала ускоряющего поля (5000-6000 В) пробивают покрытие газопоглотителя, пленку окиси алюминия, пленку алюминия и ударяются в люминофорное покрытие, возбуждая люминесцентное излучение.

Прототип имеет относительно сложную конструкцию корпуса с размещенными в нем несколькими элементами, 4 электродных вывода через боковую стенку корпуса, необходимость трех источников питания, в том числе высоковольтного до 6000 В (фиг.4). Анодное окно должно быть прозрачным для света (например, стеклянным). Катодное - из материала, хорошо пропускающего возбуждаемое излучение (в данном случае, ИК) и не пропускающего свет (например, германиевое). Оба разнородных окна являются элементами корпуса. За счет большой разности КТР их материалов, с учетом необходимости высокотемпературного нагрева при вакуумной герметизации и обезгаживании элементов прибора, сохранение его герметичности будет проблематичным и потребует каких-то специальных непростых конструктивно-технологических мер.

Главными же недостатками прототипа являются следующие.

1. В областях вблизи анода и катода имеется протяженное пространство с большими уровнями напряженности поля, где возникает ионизация атомов газа, а ионы имеют возможность бомбордировать и разрушать катод и анод. В этих зонах поглощение ионов будет ничтожно - образовавшись в зазоре, они свободно летят к катоду и аноду.

2. Покрытие слоя люминофора защитной пленкой металла (алюминия) резко (более 10 раз) уменьшает энергию и количества электронов, возбуждающих люминофор. Это приводит к большим энергетическим потерям устройства и проблемам формирования четкого яркого изображения.

3. Покрытие поверхности микрокапилляров пленочным проводящим материалом газопоглотителя приведет к изменению сопротивления, рабочего напряжения и других параметров МКП, как за счет проводимости пленки, так и за счет изменения эффективности соударений фотоэлектронов (первое соударение) и вторичных электронов с покрытием. Это внесет существенные искажения и какую-то нестабильность в работе прибора.

4. Основным источником ухудшения вакуума будет не МКП, как утверждают авторы патента, а сам корпус с его сложной структурой термомеханически несогласованных элементов. Образование же «паразитного» газа и ионов в микроканалах МКП и их выброс из длинных микрокапилляров вообще маловероятны. В микроканалах основной вклад в электронный поток вносят вторичные электроны, имеющие значения энергии (в данном случае - вольты и десятки вольт), не достаточные для электронной стимуляции газоотделения (необходимы, минимум, сотни вольт) [10, 11]. Кроме того, ионизация в микрокапиллярах маловероятна - нет высоких полей и дистанций «пробега» заряда. И, наконец, «вылетать» атомам и ионам из капилляра с соотношениями длины к диаметру, много больших 10, маловероятно.

Обоснование и описание конструкции заявленного варианта.

Указанные недостатки прототипа устраняются в заявленном варианте тем, что анод, катод и МКП механически и электрически присоединены друг к другу, материалы люминофора и газопоглотителя в виде нанопорошков размещены на поверхности микрокапилляров, корпус прибора имеет максимально простую структуру и минимальное число элементов, согласованных термомеханически между собой.

Эти нововведения устраняют влияние взаимного расположения элементов конструкции (пустых промежутков между электродами и МКП) на свойства выходного люминесцентного излучения и деградации катода. Каждый микроканал при этом работает как отдельный независимый элемент. Кроме того, уменьшается влияние нежелательной утечки тока по покрытию поверхности микроканалов и улучшается управляемость параметрами при изменениях напряжения.

Протекание тока в канале происходит двумя путями - в вакууме и по покрытию поверхности. Покрытие поверхности необходимо для снятия с него заряда и представляет собой примерно равномерно распределенное постоянное омическое сопротивление. Порошковое покрытие, в отличие от сплошной пленки, практически не изменяет сопротивление покрытия вдоль оси канала. Но оно может с пользой увеличить его поперек канала, если частицы порошка, как, например люминофора, плохо проводят.

Для тока в вакууме можно принять действие формулы Ричардсона (закон трех вторых), из которой можно найти формулу для сопротивления вакуумного «провода». Это сопротивление будет пропорционально квадрату длины канала и обратно пропорционально корню из напряжения. Тогда следует, что с увеличением длины канала (пути движения электронов в канале) и уменьшением напряжения на нем возрастает роль шунтирующей проводимости (нежелательной утечки тока) покрытия микрокапилляров.

Этот фактор сильно влияет на коэффициент усиления тока в МКП и распределение величины тока вдоль канала. Возможна такая ситуация, когда процесс в вакууме канала проистекает, а его тока на электроде анода нет - ток интегрально шунтируется покрытием поверхности канала. Это приводит к плохой управляемости свойств МКП напряжением - малой величине диапазона его влияющих изменений. Нанесение люминофора на поверхность каналов устраняет это влияние полностью - часть электронов его потока в любой точке поверхности канала возбуждает люминофор, который, таким образом, излучает и создает изображение практически при любых значениях напряжения на МКП, что позволяет управлять им в широком диапазоне изменений напряжения.

Несложный расчет геометрических параметров МКП приводит к соотношению площади поверхности всех микроканалов S к площади МКП s-3L/w, где L - длина каждого из капилляров (толщина МКП), w - диаметр капилляров.

Для случаев устремления к наибольшим коэффициентам усиления (фиг.2) отношение S/s будет достигать, минимум, 100. То есть площадь поверхности микроканалов будет в 100 раз больше площади МКП, что позволяет использовать это обстоятельство в широких возможностях. Это, в частности, и приводит к идее заявки, нанести на поверхность микроканалов материалы (в виде наночастиц) рабочих элементов прибора - люминофора и газопоглотителя.

Пусть из соображений максимальности невзаимного влияния наночастиц двух разных материалов их наносимое количество будет таким, чтобы покрыть только половину площади S. Тогда на долю каждого из материалов придется в среднем 1/4 площади S. То есть на каждый квадратный сантиметр площади пластины рабочее покрытие каждого из материалов может достигать 25 см2, что с запасом достаточно для эффективной работы прибора.

Схема конструкции заявленного варианта представлена на фиг.5. На ней отображены:

1 - пластина катодная стеклянная (крышка 1),

2 - пластина анодная стеклянная (крышка 2),

3 - периметр спая пластин низкоплавким стеклом (периметр),

4 - пленочный электрод-анод (анод),

5 - пленочный электрод-катод,

6. - катодный чувствительный слой (катод),

7 - микрокапиллярная пластина (МКП),

8, 9 - подводящие внешние электроды (электроды),

10 - оптический согласующий элемент (оптический элемент).

11 - элемент просветления.

Пластина катодная 1 из термостойкого (например, молибденового) стекла должна быть максимально тонкой (менее 0,5 мм), чтобы хорошо пропускать принимаемое прибором излучение.

Пластина анодная 2 из термостойкого (например, молибденового) стекла должна быть достаточно тонкой (0,5-1 мм) для обеспечения минимального расстояния к внешнему спектральному элементу.

Пластины 1 и 2 сдвинуты относительно друг друга или периметра так, чтобы снаружи периметра прибора оказались некие зоны их поверхности, достаточные для присоединения электрических выводов 8 и 9.

Периметр спая 3 пластин - низкоплавкое стекло с КТР, близким к пластинам катодной и анодной.

Пленочный электрод-анод 4 - пленка проводящего прозрачного материала с показателем преломления больше 1,4 (для стекла) толщиной, равной четверти длины волны люминесцентного излучения, например, окиси индия-олова (ITO), для которого показатель преломления близок к двум, толщина пленки примерно 0,1 мкм.

Пленочный электрод-катод 5 - тонкая (порядка 0,1 мкм) пленка проводящего материала, например алюминия, не поглощающая принимаемое излучение и отражающая люминесцентное излучение.

Катодный слой 6, чувствительный к принимаемому фото-, рентгено-, гамма-излучению. К свету визуальной люминесценции он может быть чувствителен или не чувствителен.

МКП 7 имеет нанопленочное полупроводящее вторично-эмиссионное светоотражающее и нанопорошковое покрытия на поверхности стенок микроканалов. Нанопорошки - люминофор и газопоглотитель.

Подводящие электроды 8 и 9 - металлическая проволока или плющенка, приваренная или приклеенная токопроводящим клеем к поверхности пленочных электродов анода и катода.

Оптический согласующий элемент 10 должен хорошо пропускать принимаемое излучение и не пропускать любое фоновое излучение. В качестве таких элементов могут быть использованы стандартные оптические детали: для ИК - германиевая плоско-выпуклая (полусферическая) линза; для ультрафиолета - кварцевая просветленная плоско-выпуклая (полусферическая) линза; для рентгеновского и гамма-излучения - специальные элементы, например линзы Кумахова.

Элемент просветления 11 - интерференционная пластинка или слоистая структура, обеспечивающая пропускание только света люминесцентного излучения и блокирующая фоновую засветку со стороны анодной крышки.

Описание способа изготовления заявленного варианта.

Способ изготовления включает следующие технологические операции.

1. Нанесение на большие стеклянные пластины-заготовки материала периметра спая 3 методом сеткотрафаретной печати и последующего отжига из покупного стандартного материала (стеклопластин с покрытиями), изготавливаемого для производств дисплеев.

2. Изготовление пластин 1 и 2 с пленочными покрытиями электродов 45 стандартными методами резки (из заготовок после операции 1) и обработки.

3. Покрытие катодной пластины чувствительным к принимаемым излучениям слоем стандартными методами.

4. Подготовка МКП (покупной).

5. Сборка пакетов из стеклопластин 1 и 2 (после операций 2 и 3) и МКП 7 (после операции 4). Установка пакетов в специальные кассеты для вакуумирования.

6. Вакуумирование, отжиг и герметизация пакетов (после операции 5). В этом процессе проводится активация (температурное и электрон-стимулированное обезгаживание) нанопорошков на поверхности микроканалов.

7. Сошлифовка в размер и полировка пакетов со стороны катодной пластины. Обработка (очистка) пакетов.

8. Присоединение электродных выводов 8 и 9 методами контактной сварки или приклейки токопроводящим клеем.

9. Присоединение оптического элемента 10 методом приклейки на супертонкий оптический клей или клей с наполнителем. Оптический клей применяется для приклейки элементов световой оптики, клей с наполнителем - для приклейки рентгеновской оптики. Наполнитель должен быть сделан из легкого (для пропускания рентгеновских или гамма-лучей) непрозрачного для света материала.

Из всей этой последовательности операций оригинальными являются «подготовка МКП» и «сошлифовка в размер». Сама МКП как заготовка - покупное стандартное изделия с нанослоем на поверхности микрокапилляров, эффективным для вторичной эмиссии.

«Подготовка МКП» состоит из нескольких следующих операций.

4.1. Синтез нанопорошков материалов - с высоким уровнем люминесценции (например, AlGaAs); с высокой степенью газопоглощения (например, церий). Данная операция выходит за рамки заявленного варианта изобретения. Она производится специализированными подразделениями промышленности. Для этого изготовления наилучшим образом подходят широко распространенные методы препаративной химии. Продуктом такого метода является суспензия нанопорошка, взвешенного в хорошо летучем растворе (ацетон, спирт).

4.2. Нанесение нанопорошков на поверхность микрокапилляров МКП из суспензии (после операции 4.1). Предлагается метод медленного испарения летучего компонента из микрокапилляров свободно висящей подогреваемой светом МКП при воздействии на нее ультразвуком слабого уровня. Ультразвук способствует равномерному осаждению нанопорошка на поверхность микрокапилляров. Режимы подогрева и воздействия ультразвуком подбираются в конкретных условиях производства и конструкции приборов. Количества наносимого материала варьируются и подбираются изменением их концентрации в суспензии.

«Сошлифовка в размер» пакета (катодной пластины) проводится методами шлифовки мелкозернистыми абразивными порошками (например, M1) и глубокой химико-механической полировки. Такая «деликатная» обработка позволяет избежать микроразрушений в катодной стеклопластине и достигать ее максимальной прочности при минимальной толщине. Это имеет большое значение, чтобы добиться минимального поглощения слабого принимаемого излучения в стекле катодной пластины, играющей роль входного окна. Описание работы заявленного прибора. Заявленный вариант прибора работает следующим образом. При освещении анализируемым невидимым излучением - гамма-, рентгеновским, ультрафиолетовым, инфракрасным - оптический согласующий элемент 10 пропускает и фокусирует его через тонкую крышку 1 и супертонкую пленку электрода 5 на катод 6, не пропуская при этом фоновое излучение. При подаче напряжения на электроды 8 и 9, присоединенные к пленочному аноду 4 и через пленочный электрод 5 к катоду 6, происходит эмиссия электронов с катода в микроканалы МКП 7, числом и потоком, пропорциональным потоку энергии принимаемого излучения. В микроканалах МКП под действием поля с потенциалами от приложенного напряжения и благодаря вторичной эмиссии электроны ускоряются, образуя в своем потоке лавину. Часть из них взаимодействует с наночастицами люминофорного покрытия и создают излучение света визуального изображения, поток энергии которого пропорционален величине электронного потока. Нанопорошковое газопоглощающее покрытие обеспечивает необходимый вакуум внутри прибора во время его изготовления и работы. Вакуумная герметичность и прочность корпуса прибора обеспечиваются крышками 1 и 2, соединенными герметично по периметру 3 низкоплавким стеклом.

В работе прибора важным является получение необходимого уровня ряда параметров, к основным из которых относятся яркость и контрастная четкость изображения, получаемого на выходе прибора - анодной крышке.

Яркость можно оценить следующим образом.

Ток в сечении одного микроканала МКП на расстоянии х - координаты, отсчитанной от катода

J1(x)=J0exp(Kx),

где J0 - эмиссионный ток катода в сечении одного капилляра, созданный принятым излучением и действием поля на катоде, К - коэффициент усиления, определяемый по кривым фиг.2.

Плотность тока - J1[π(w/2)2]-1. На поверхности капилляра на полосе шириной dx ток будет J[π(w/2)2]-1(πw)dx. Тогда ток на полосе dx - J(x)=J0[π(w/2)2]-1(πw)exp(Kx)=J0(4/w)exp(Kx)dx.

Напряжение на элементе dx будет: Vx=Vw(L sin φ)-1, где: V - напряжение на МКП, φ - угол наклона капилляров к вертикали плоскости МКП. Мощность электропитания элемента dx будет - J(x)Vx, а световая отдача - ηµJ(x)Vx, где η - световая эффективность люминофора (Лм/Вт), µ - доля покрытия люминофором поверхности капилляра. Подставив значения J(x) и Vx и интегрируя по длине капилляра, получится выражение для светоотдачи одного капилляра

i=4ηµJ0V(KL sin φ)-1exp(KL).

Подставив в это выражение реальные для практики примерные значения: V=1000, exp(KL)-1000, KL=40, sin φ=0,5, η=30, µ=0,3, получится: i=106 J0. Умножив левую и правую части на число микрокапилляров МКП, получится светоотдача от всего прибора - I=106 J Лм, где J - ток эмиссии всего катода (в амперах).

Для современных фотокатодов токи эмиссии (ИК-чувствительность фотокатода) примерно 10-3 А на 1 Вт принимаемой ИК-мощности [12]. Тогда оцениваемая светоотдача будет 103 Лм/Вт. При хорошо различимой яркости изображения на экране порядка 100 Кд/м2=300 Лм/м2=0,03 Лм/см2, получится значение приемлемой чувствительности фотокатода 3.10-5 Вт/см. Значения порога чувствительности на уровне 10-5 Вт/см вполне приемлемы для многих применений. Например, плотность теплового излучения тела человека - на уровне 10-2-10-4 Вт/см2 [13].

Для вариантов приема других видов излучений, например рентгеновского, можно прогнозировать более выгодную, чем для фотокатода, ситуацию, в связи с большей энергетической активностью этих излучений.

Контрастная четкость изображения, получаемого на выходе прибора, ухудшается, в основном, нежелательной взаимной внутренней подсветкой элементов прибора излучением люминофора. Поэтому во всех вариантах визуализаторов принимаются меры по устранению этого влияния. В основном, это - глухая блокировка излучения за счет покрытия пленки люминофора пленкой металла, например алюминия. Это, однако, приводит к большой проблеме, связанной с преодолением пленки металла электронами и необходимостью резкого повышения напряжения на аноде (до 10000 В).

В заявленном варианте эта проблема решается благодаря механически, электрически и оптически плотному контакту поверхностей анода и катода к поверхности МКП. Это позволяет собственному излучению циркулировать только в пределах каждого из микроканалов, не засвечивая другие. При этом важным являются отражающие свойства поверхности микроканалов, которые определяются покрытием их поверхности и степенью обеспечения полного внутреннего отражения. Эти свойства определяются и обеспечиваются конкретными конструктивно-технологическими мерами обеспечения свойств покрытий поверхности микроканалов при разработке конкретных вариантов приборов - выбором материала, структуры и геометрии покрытия. При этом идеальным мог бы быть вариант МКП из «черного» стекла. Такое стекло производится и оно может быть использовано при изготовлении трубки, исходной для производства МКП.

Важным при этом является характер и величины влияния излучения, циркулирующего в микроканале, на катод. Тут возможны два случая: отсутствия и наличия этого влияния.

Отсутствие влияния собственного излучения на катод обеспечивается подбором материала катода. Для случая принимаемого ИК-излучения это могут быть квантовые точки узкозонных полупроводников, чувствительных в очень узкой полосе спектра, определяемой размером частиц материала. Для других случаев - подбираются полупроводниковые материалы, не чувствительные к собственному излучению прибора, что легко сделать благодаря тому, что энергии фотонов собственного излучения много меньше энергий фотонов принимаемого излучения.

Интересным является случай наличия влияния собственного излучения на катод. Это приведет к усилению эффекта воздействия принимаемого излучения в каждом микроканале. Принципиально, внутреннее в канале усиление не должно устранить пропорциональной зависимости от величины принимаемого излучения (величины первичного тока эмиссии катода). При этом можно подбирать величину внутреннего усиления, варьируя материал катода, долю покрываемой люминофором поверхности микрокапилляров, напряжение на МКП. Эти меры приведут к увеличению чувствительности прибора.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛНЕНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ

Примеры исполнения целесообразно начинать с учета свойств МКП. В соответствии с фиг.2 необходимо выбрать желаемый параметр усиления. Пусть это будет - 1000. Тогда выбирается вариант МКП с диаметром микрокапилляров 25 мкм и калибром 40, т.е. толщина пластины 1 мм. С учетом наибольшего размера диаметра МКП фирмы-изготовителя, скажем, 50 мм, формируется квадратная пластина с размером стороны - 35 мм. На поверхность микрокапилляров наносится покрытие нанопорошка люминофора, пусть красного цвета свечения, например, типа проводимости и состава p-Ga0,8Al0,2As, и газопоглотителя, например, Cs3Sb.

Стеклянные пластины-крышки будут иметь размеры 45×40 мм. На анодной пластине сформирован проводящий спектрально прозрачный слой InxSn1-xO. На катодной - пленочный электрод, например, тонкого (0,1 мкм) алюминия, катодное нанопорошковое покрытие одного из вариантов: для приема ИК-излучения, например, квантовые точки состава узкозонного полупроводника InSb; для приема гамма-, рентгеновского или ультрафиолетового излучения - широкозонного полупроводника, например, GaN.

Сборка пакета делается так, что пластины сдвигаются одна относительно другой на 5 мм вдоль длинной стороны. Получаются краевые выступы, на которых после сборки и герметизации пакета формируется присоединение подводящих электродов. Образец будет иметь габаритные размеры 50×40 мм и толщину 3 мм, которая после доводки пластин шлифовкой станет 1,5-1,8 мм. Размеры внутреннего пространства будут примерно 36×36×1 мм.

К такому пакету присоединяются элементы спектрально-оптического блокирования фоновой засветки. Наносится чернение на все незакрытые зоны корпуса. Для удобства пользования такой плоский прибор может быть помещен в оправу с ручкой. Оптический элемент приема излучения может быть съемный.

Потребляемая мощность 1-3 Вт (оценочно).

Преимущества прибора над всеми известными вариантами визуализаторов:

- многофункциональность действия - визуализация нескольких типов принимаемого излучения; ручное или аппаратное использование;

- высокая чувствительность визуализации за счет большой удельной площади люминофорного покрытия - не менее 10 крат к площади анода (МКП);

- большая долговечность за счет отсутствия сверхвысоких напряжений (10000 В) и приэлектродных пустых промежутков для генерации ионов и бомбордировки ими катода и анода;

- экономичность за счет отсутствия высоковольтного потребления на анодном электроде; отсутствия потерь на замыкание тока в МКП по проводящей сплошной пленке газопоглотителя - в заявленном варианте используется порошковое (не сплошное) покрытие с малой долей занимаемой поверхности;

- относительная простота конструкции и технологии за счет уменьшения количества элементов и использования активных материалов в виде порошков;

- удобства использования за счет миниатюрности прибора и использования одного сравнительно низковольтного источника вместо двух - трех.

Принципиальными отличительными моментами заявляемого технического решения являются: непосредственное контактирование МКП с обеими электродными пластинами и нанесение люминофора и порошкового газопоглотителя на поверхность микрокапилляров МКП.

Первое решение позволяет исключить приэлектродные пустые зоны, которые являются источником ионов, разрушающих рабочие покрытия электродов. Кроме того, эти зоны ухудшают четкость изображения, являясь источником неконтролируемой подсветки рабочих элементов и аппертурного размытия яркости элементов отображения. Кроме того, контактирование всех трех элементов прибора позволяет свести к минимуму толщины электродных пластин за счет того, что им не требуется держать в свободном состоянии механические нагрузки внешней атмосферы. Это позволяет иметь экстремально малые потери энергии излучений и размытие изображения. Все, в конечном счете, приводит к тому, что каждый микроканал МКП работает как отдельный элемент, не связанный с другими.

Расположение люминофорного покрытия непосредственно в микроканалах многократно увеличивает излучающую поверхность. Это повышает чувствительность отображения и позволяет в широких пределах варьировать токовую нагрузку (коэффициент усиления МКП). Например, можно уйти в область малых диаметров каналов и, тем самым, повысить геометрическое разрешение отображения. Как видно на фиг.2, переход к малым w приводит к резкому уменьшению усиления - 10 вместо 1000. В обычных приборах это приведет, соответственно, к уменьшению в 100 раз яркости изображения. В заявленном варианте принципиально в 100 раз увеличивается площадь люминофора, то есть яркость не изменится.

Порошковое нанесение газопоглотителя, вместо пленочного сплошного, позволяет устранить его влияние на проводимость активного покрытия поверхности микрокапилляров.

Прибор может применяться как визуализатор ИК-излучения в тепловизорах и приборах ночного видения; рентгеновского и гамма- излучения при контроле локальных мест дефектности материалов, живых систем; ультрафиолетового излучения при контроле биосистем.

Прибор может применяться в портативной аппаратуре с полуавтоматическим и ручным управлением.

Новые применения связаны с экспресс-контролем в медицине, быту, местах скопления людей.

Использованные источники информации

1. Визуализация. http://megabook.m/article/ВИЗУАЛИЗАЦИЯ.

2. Физика визуализации изображений в медицине. Том 1, 2. Под ред. С. Уэбба. Москва. Мир. 1991 г.

3. Рентгеновский люминесцентный экран (патент РФ №2476943).

4. Электронно-оптические преобразователи.

http://femto.com.ua/articles/part_2/4695.html

5. Микроканальные пластины, http://profbeckman.narod.ru/radiometr. files/L10_10.pdf

6. Микроканальные пластины, http://www.ru.all.biz/mikrokanalnye-plastiny-bgg1080825

7. Патент (RU) 2331948. Приоритеты: подача заявки - 09.01.2007; начало действия патента - 09.01.2007; публикация патента - 20.08.2008. Автор Аксенов В.А. Патентообладатель: ЗАО "Экран ФЭП" (RU).

8. Boutot J.-P., Acta Electron, 14, 243, 1971.

9. Патент США №6,437,491 от 20.08.2002 г.

10. Вторичная электронная эмиссия. http://femto.com.ua/articles/part_1-/0611.html

11. Электронно-стимулированная десорбция, fs.nashaucheba.ru/docs/180/index-430389.html

12. П.В. Бухаров. Фотокатоды современных ЭОП. Доклады ТУСУРа, №2 (24), часть 1, декабрь 2011.

13. Излучение реальных тел и тела человека, http://www.biochemi.ru/chems-851-1.html

Электронно-оптический визуализатор невидимых электромагнитных излучений, изготавливаемый методами: резки, шлифовки, полировки пластин; нанесения пленочных и порошковых покрытий на элементы конструкции; подготовки и сборки элементов конструкции; вакуумирования, обезгаживания и герметизации; присоединений электродов и оптических элементов, состоящий из: вакуум-герметичного плоского корпуса-пакета, имеющего две крышки, катодную и анодную, присоединенные к ним внешние подводящие катодный и анодный электроды; присоединенного к катодной крышке избирательного по спектру принимаемого излучения оптического элемента, типа линзы; присоединенного к анодной крышке оптического просветляющего элемента; пленочного анода; чувствительного к принимаемым излучениям катода со своим пленочным электродом; микроканальной стеклопластины (МКП) со вторично-эмиссионным нанопленочным полупроводящим и светоотражающим покрытием поверхности микроканалов; люминофорного покрытия, создающего в приборе визуальную люминесценцию; газопоглощающего покрытия; отличающийся тем, что с целью улучшения управляемости параметрами изображения, повышения долговечности чувствительного катода, увеличения площади люминофорного и газопоглощающего покрытий, расширения функций работы и применений катодная и анодная крышки корпуса выполнены из термопрочного стекла, например молибденового, анодная - тонкая (0,5-1 мм), катодная - предельно тонкая (менее 0,5 мм) после ее доводки в собранном пакете шлифовкой тонким (менее 1 мкм) абразивом и химико-механической полировкой; МКП механически, электрически и оптически плотно присоединена к анодной и катодной крышкам благодаря технологической подгонке размеров и атмосферному давлению на крышки собранного вакуумированного пакета; катод выполнен из материалов двух несовместимых вариантов - не чувствительного или, наоборот, чувствительного к свету визуальной люминесценции; анодная пленка выполнена из прозрачного проводящего материала, например окиси индия-олова, и имеет показатель преломления и толщину, обеспечивающие интерференционное пропускание света визуальной люминесценции; люминофор и газопоглотитель выполнены в виде покрытий нанопорошков на поверхности микрокапилляров нанесением в технологическом цикле из общей суспензии нанопорошков в легко летучей жидкости после ее «пропитки» микрокапилляров с последующим испарением при подогреве светом и одновременном воздействии на МКП ультразвуком; причем количества люминофора и газопоглотителя и, соответственно, величина площади нанопорошкового покрытия поверхности микрокапилляров варьируются в конкретных вариантах визуализаторов путем подбора состава суспензии; яркость и четкость получаемого на выходе изображения готового прибора регулируются изменением напряжения на МКП в широком диапазоне его величин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области полупроводниковой техники. Входное окно предназначено для использования в вакуумных фотоэлектронных приборах проксимити типа.

Изобретение относится к гибридным фоточувствительным приборам, предназначенным для регистрации изображений низкого уровня освещенности. Технический результат - увеличение коэффициента усиления гибридного фоточувствительного прибора, отношения сигнал/шум, улучшение разрешающей способности, обеспечение электрической прочности и повышение пробивного напряжения корпуса.

Изобретение относится к средствам регистрации изображений в широком диапазоне освещенности для регистрации изображений в выделенных диапазонах спектра излучения, например в инфракрасном (ИК) или ультрафиолетовом (УФ) диапазоне.

Изобретение относится к квантовой электронике и электронной технике и может быть использовано в приборах со сканирующим световым лучом. Лазерная электронно-лучевая трубка выполнена в виде вакуумируемой колбы с выходным оптическим окном и имеет электронно-оптическую ось, вдоль которой последовательно расположены источник электронов, система электродов для формирования электронного пучка и активная пластина с высокоотражающим покрытием на первой своей поверхности, закрепленная на хладопроводящей подложке.

Изобретение относится к области создания вакуумных фотоэлектронных приборов, а точнее к конструкции фотокатодного узла таких приборов, в частности, конструкции фотоэлектронных приборов (ФЭП), электронно-оптических преобразователей (ЭОП).

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - повышение разрешающей способности с использованием электронно-оптических преобразователей (ЭОП) 3-го поколения в широком диапазоне освещенности и снижение потребляемой мощности.

Изобретение относится к трубке-усилителю яркости изображения и системе ночного видения, снабженной такой трубкой. Трубка-усилитель яркости изображения содержит многослойную керамическую подложку, герметично прикрепленную к входному устройству и выходному устройству, так чтобы обеспечить герметизацию вакуумной камеры, ограниченной корпусом трубки.

Изобретение относится к области электротехники. .

Изобретение относится к области электронно-оптической и полупроводниковой техники и может быть использовано при изготовлении оптико-электронных наблюдательных и регистрирующих приборов, предназначенных для эксплуатации в условиях естественных освещенностей (от сумерек до глубокой ночи).

Изобретение относится к области электронно-оптической техники и может быть использовано при построении многоканального хронографического электронно-оптического (ЭО) регистратора с N волоконно-оптическими входами для исследования в динамике с пикосекундным временным разрешением одним ЭО регистратором N физических процессов нано-, пикосекундного диапазона в тех случаях, когда источник процесса удален от места регистрации на расстояние до 3-5 км.

Изобретение относится к структуре умножения электронов для использования в вакуумной трубке, использующей умножение электронов, и к вакуумной трубке, использующей умножение электронов, обеспеченное такой структурой умножения электронов. Структура умножения электронов предложена для использования в вакуумной трубке, использующей умножение электронов, причем структура умножения электронов включает в себя входную поверхность, которая должна быть направлена в сторону входного окна вакуумной трубки, выходную поверхность, которая должна быть направлена в сторону регистрирующей поверхности вакуумной трубки, где структура умножения электронов, по меньшей мере, составлена из слоя полупроводникового материала, расположенного вблизи с регистрационными окнами. Технический результат - повышение эффективности вторичной эмиссии и упрощение устройства. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к биноклю для дневного и ночного наблюдения. Бинокль содержит дневной канал, состоящий из двухкомпонентного объектива, оборачивающей системы и окуляра с сеткой. Также бинокль содержит ночной канал, состоящий из двухкомпонентного объектива ночного канала, электронно-оптического преобразователя, проекционного объектива ночного канала и общего с дневным каналом окуляра с сеткой. Дополнительно бинокль содержит систему оптической коммутации, состоящую из четырех оптических дефлекторов. При этом первый компонент объектива дневного канала является двухлинзовой склейкой, которая состоит из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, второй компонент является вогнуто-плоской линзой. Первый компонент объектива дневного канала используется в качестве первого компонента объектива ночного канала. Заявленное решение обеспечивает создание бинокля для дневного и ночного наблюдения, в котором объектив дневного канала выполнен двухкомпонентным, в котором фокусное расстояние его первого компонента меньше фокусного расстояния объектива дневного канала. 1 ил.
Наверх