Микроканальная пластина

Изобретение относится к области фотоэлектронных приборов и может быть использовано при изготовлении микроканальных пластин, используемых в фотоэлектронных умножителях, электронно-оптических преобразователях и различных типов детекторах излучения. Технический результат – расширяет арсенал средств аналогичного назначения, повышает технологичность процесса изготовления микроканальной пластины, расширяет область её применения и уменьшает ионно-обратную связь при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе, с одновременным сохранением качества выходного сигнала и уровня усиления микроканальной пластины при её работе в фотоэлектронном приборе. Микроканальная пластина содержит выполненную из стекла матрицу микроканалов, входной электрод, выходной электрод и ионно-барьерную пленку, которая сформирована из углерода поверх входного электрода таким образом, что закрывает входы в микроканалы. При этом стенки микроканалов матрицы обладают электропроводностью и способностью к вторичной электронной эмиссии, а ионно-барьерная пленка сформирована из частиц, распыленных из массы графитсодержащего материала электронно-лучевым методом. 3 з.п. ф-лы.

 

Техническое решение относится к области фотоэлектронных приборов и может быть использовано для изготовления микроканальных пластин, используемых в фотоэлектронных умножителях, электронно-оптических преобразователях (ЭОП) и различных типов детекторах излучения.

Как известно, микроканальная пластина представляет собой устройство для усиления фототока в фотоэлектронном приборе. Микроканальная пластина содержит выполненную из стекла тонкую матрицу микроканалов, представляющую собой пластину с торцевыми поверхностями и с множеством сквозных микроскопических каналов, проходящих от одной торцевой поверхности к другой торцевой поверхности под определенным углом. Для работы в фотоэлектронном приборе микроканальную пластину располагают между фотокатодом и анодом (приемником выходного сигнала) таким образом, что одна торцевая поверхность матрицы микроканалов, являющаяся её входной поверхностью, обращена к фотокатоду, а другая торцевая поверхность матрицы микроканалов, являющаяся её выходной поверхностью, обращена к аноду (приемнику выходного сигнала). Микроканальная пластина также содержит входной и выходной контактные электроды, которые сформированы, соответственно, на входной и выходной поверхностях матрицы микроканалов в виде тонких электропроводящих плёнок из металлических материалов и предназначены для подачи на них питающего напряжения при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе. При этом на входе и на выходе в микроканалы плёнки контактных электродов заглублены на небольшое расстояние, обычно равное, от 0,2 до 3,0 диаметра микроканала.

При работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе фотоэлектроны, вылетая из фотокатода и попадая в микроканалы матрицы со стороны её входной поверхности, вызывают многократную генерацию вторичных электронов, в результате чего, на выходе из микроканалов образуется электронный поток с высокой плотностью.

Вместе с этим соударение электронов со стенками микроканалов, а также с поверхностью анода (приемника выходного сигнала) вызывает электронно-стимулированную десорбцию атомов и молекул, которые ионизируются под действием электронов внутри каналов и в промежутке между микроканальной пластиной и анодом. Образовавшиеся положительные ионы под воздействием приложенного электрического поля перемещаются по микроканалам в направлении к фотокатоду и бомбардируют его активный фотоэмиссионный слой. Это явление, называемое ионной обратной связью, приводит к повреждению фотокатода и, соответственно, к уменьшению его рабочего ресурса, а также вызывает генерацию помех, уменьшает отношение сигнал/шум.

Для подавления ионной обратной связи поверх входного электрода микроканальной пластины формируют ионно-барьерную пленку (ИБП) таким образом, чтобы она закрывала входные отверстия микроканалов. Ионно-барьерную пленку формируют из непрозрачного для положительных ионов материала, обычно, - из оксида кремния SiO₂ или оксида алюминия Al₂O_3.

Основным недостатком ионно-барьерных пленок из оксида кремния или оксида алюминия является их свойство накапливать электрический заряд, особенно при высоком уровне освещенности фотокатода, что снижает коэффициент пропускания электронов ионно-барьерной пленкой и, соответственно, негативно влияет на качество сигнала на выходе микроканальной пластины. Так, в электронно-оптическом преобразователе заряженность ионно-барьерной пленки может привести к снижению контраста изображения и ухудшению его разрешающей способности. Указанные недостатки в работе микроканальной пластины с ионно-барьерной пленкой возможно устранить, выполнив ионно-барьерную пленку из углерода.

Из публикации CN108281344 (A) «Micro-channel plate with high detection efficiency and low noise and fabrication method of micro-channel plate» («Микроканальная пластина с высокой эффективностью обнаружения и низким уровнем шума, а также метод изготовления микроканальной пластины») (дата публикации 13.07.2018, МПК H01J43/24, H01J9/12) известно техническое решение микроканальной пластины, принятое в качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения.

Согласно известному техническому решению, микроканальная пластина содержит выполненную из кварцевого стекла матрицу микроканалов, входной электрод, выходной электрод и пленку для предотвращения ионной обратной связи, которая наносится на стороне входного электрода и представляет собой графеновую пленку.

При этом на стенках микроканалов матрицы из кварцевого стекла также нанесены, последовательно, проводящий слой и эмиссионный слой, за счет чего стенки микроканалов матрицы из кварцевого стекла обладают электропроводностью и способностью к вторичной электронной эмиссии. Проводящий слой выполнен из оксида цинка ZnO, а эмиссионный слой выполнен из оксида алюминия Al₂O₃ или оксида кремния SiO₂.

Поскольку графеновая пленка представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, то возможным способом её формирования на поверхности микроканальной пластины является способ химического осаждения из паровой фазы.

Согласно известному техническому решению микроканальной пластины, графеновую пленку наносят методом химического осаждения из паровой фазы с использованием метана и водорода в качестве исходных газов, а также аргона в качестве вспомогательного газа, при этом температуру процесса поддерживают на уровне 1000 °С. Причем графеновую пленку осаждают на временную медную пленку, в свою очередь, нанесенную на временную органическую пленку, которая предварительно формируется поверх входного электрода, а после формирования медной пленки удаляется посредством пиролиза. После того, как графеновая пленка сформирована, медную пленку удаляют путем погружения матрицы микроканалов в травильный раствор, с тем, чтобы медная пленка растворилась. Таким образом, графеновая пленка остается прикрепленной к входному электроду микроканальной пластины.

Известное техническое решение микроканальной пластины благодаря графеновой пленке, нанесенной поверх входного электрода, позволяет предотвратить явление ионной обратной связи. При этом коэффициент пропускания электронов ионно-барьерной пленкой, а значит, эффективность обнаружения объектов наблюдения повышаются. При этом также улучшается отношение сигнал/шум и характеристика усиления микроканальной пластины при её работе в фотоэлектронном приборе. Таким образом, при повышении коэффициента пропускания электронов ионно-барьерной пленкой характеристики выходного сигнала улучшаются. Так, в сравнении с ионно-барьерными пленками из Al2O3 и SiO2, снижающими эффективность обнаружения объектов наблюдения на 10-20 %, техническое решение ближайшего аналога, благодаря тому, что ионно-барьерная пленка выполнена графеновой, в меньшей степени снижает эффективность обнаружения, а именно, менее чем на 5%.

Недостатком известного технического решения микроканальной пластины является довольно низкая технологичность процесса её изготовления. Это обусловлено тем, что метод химического осаждения из паровой фазы, посредством которого сформирована графеновая пленка, предполагает использование газообразных продуктов (метана, водорода, аргона) с тем, чтобы обеспечить протекание необходимых химических реакций самонасыщения, а также, требует очень сильное, до 1000 °С, нагревание поверхности, на которой формируется графеновая пленка. Таким образом в процессе формирования графеновой пленки стеклянная матрица микроканалов неизбежно подвергается нежелательному высокотемпературному нагреву и загрязняется продуктами химических реакций. Вместе с этим, использование газообразных продуктов и поддержание высокой температуры в технологическом процессе требует соответствующих материальных и энергетических затрат.

Кроме этого, нанесение графеновой пленки на поверхность стеклянной матрицы микроканалов методом химического осаждения из паровой фазы требует выполнения дополнительных технологических операций по изготовлению и последующему удалению медной пленки, что также снижает технологичность процесса изготовления микроканальной пластины. Причем, удаление медной пленки обеспечивается погружением стеклянной матрицы микроканалов в травильный раствор, что повышает степень загрязнения поверхностей микроканальной пластины, в том числе, поверхности стенок микроканалов, а также, повышает вероятность повреждения уже сформированной графеновой ионно-барьерной пленки, поскольку она подвергается воздействию довольно агрессивной среды травильного раствора.

В свою очередь, загрязнение микроканалов и повреждение ионно-барьерной пленки способствуют усилению ионной обратной связи при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе. А необходимость высокотемпературного нагрева матрицы микроканалов в процессе формирования ионно-барьерной пленки не позволяет применить для изготовления матрицы микроканалов чувствительные к высокой температуре материалы, что ограничивает область применения известного технического решения микроканальной пластины.

Технические проблемы, на решение которых направлено заявляемое техническое решение микроканальной пластины, заключаются в повышении технологичности изготовления микроканальной пластины, расширении области её применения и уменьшении ионно-обратной связи при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе, с одновременным сохранением качества выходного сигнала и уровня усиления микроканальной пластины при её работе в фотоэлектронном приборе. Также заявляемое техническое решение микроканальной пластины направлено на решение проблемы расширения арсенала средств аналогичного назначения.

Указанные технические проблемы решаются тем, что в микроканальной пластине, содержащей выполненную из стекла матрицу микроканалов, входной электрод, выходной электрод и ионно-барьерную пленку, которая сформирована из углерода поверх входного электрода таким образом, что закрывает входы в микроканалы, причем стенки микроканалов матрицы обладают электропроводностью и способностью к вторичной электронной эмиссии, согласно заявляемому техническому решению ионно-барьерная пленка сформирована из частиц, распыленных из массы графитсодержащего материала электронно-лучевым методом.

В заявляемом техническом решении микроканальной пластины ионно-барьерная плёнка сформирована из частиц, распыленных из массы графитсодержащего материала электронно-лучевым методом. Такое решение, в отличие от ближайшего аналога, при формировании ионно-барьерной плёнки исключает необходимость высокотемпературного нагрева матрицы микроканалов, исключает необходимость использования газообразных химических продуктов (метана, водорода, аргона), необходимость формирования временной медной пленки и необходимость проведения операции химического травления с целью удаления временной медной пленки. То есть, заявляемое техническое решение микроканальной пластины позволяет в процессе её изготовления уменьшить количество технологических операций и, соответственно, количество переходов от одной технологической операции к другой, что является техническим результатом заявляемого технического решения микроканальной пластины. Данный технический результат в целом повышает технологичность изготовления микроканальной пластины.

Вместе с этим, отсутствие необходимости использования газообразных химических продуктов (метана, водорода, аргона) и операции химического травления в процессе формирования ионно-барьерной плёнки исключает контактирование поверхностей микроканальной пластины с посторонними и адсорбируемыми химическими продуктами, что существенно уменьшает степень загрязнения поверхностей микроканальной пластины, в том числе, поверхностей внутри микроканалов, посторонними веществами. Благодаря этому, уменьшается степень электронно-стимулированной десорбции атомов и молекул со стенок микроканалов при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе, что является техническим результатом заявляемого технического решения микроканальной пластины, решающим проблему ионно-обратной связи при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе.

Вместе с этим, отсутствие в технологическом процессе изготовления микроканальной пластины операции химического травления уменьшает вероятность повреждения сформированной ионно-барьерной пленки, что также является техническим результатом заявляемого технического решения микроканальной пластины, решающим проблему уменьшения ионно-обратной связи при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе с одновременным сохранением качества выходного сигнала микроканальной пластины при её работе в фотоэлектронном приборе.

Вместе с этим, отсутствие в технологическом процессе изготовления микроканальной пластины операций, сопровождающихся высокотемпературным нагревом матрицы микроканалов, позволяет применить для изготовления матрицы микроканалов чувствительные к высокой температуре материалы, что является техническим результатом, решающим техническую проблему расширения области применения микроканальной пластины. В частности, становится возможным для изготовления матрицы микроканалов применить свинцово-силикатное стекло. В свою очередь, применение свинцово-силикатного стекла для изготовления матрицы микроканалов позволяет обеспечить электропроводность и способность к вторичной электронной эмиссии стенок микроканалов посредством восстановительного отжига матрицы микроканалов в атмосфере водорода, в результате которого на стенках микроканалов образуется резистивно-эмиссионный слой. Таким образом, отсутствие в технологическом процессе изготовления микроканальной пластины операций, сопровождающихся высокотемпературным нагревом, позволяет, в свою очередь, исключить технологические операции нанесения резистивного и эмиссионного слоев на стенки микроканалов и, при этом, обеспечить достаточные показатели электропроводности и способности к вторичной электронной эмиссии стенок микроканалов, что является техническим результатом заявляемого технического решения микроканальной пластины. Данный технический результат также решает проблемы повышения технологичности изготовления микроканальной пластины и расширения области её применения с одновременным сохранением качества выходного сигнала и уровня усиления микроканальной пластины при её работе в фотоэлектронном приборе.

Таким образом, технические результаты, достигаемые заявленным техническим решением микроканальной пластины, в сравнении с ближайшим аналогом, повышают технологичность изготовления микроканальной пластины, расширяют область её применения и уменьшают ионно-обратную связь при работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе, с одновременным сохранением качества выходного сигнала и уровня усиления микроканальной пластины при её работе в фотоэлектронном приборе. То есть, заявляемое техническое решение микроканальной пластины решает технические проблемы, на решение которых оно направлено. Вместе с этим, реализация заявляемого технического решения микроканальной пластины решает техническую проблему расширения арсенала средств аналогичного назначения.

В заявляемом техническом решении микроканальной пластины графитсодержащий материал может представлять собой мелкозернистый графит или пиролитический графит.

В заявляемом техническом решении микроканальной пластины входной электрод и выходной электрод могут быть выполнены из хрома или нихрома.

Заявляемое техническое решение микроканальной пластины реализуют следующим образом.

Определяют необходимые геометрические параметры стеклянной матрицы микроканалов, в том числе, её толщину и диаметр, диаметр и угол наклона каналов. Известными техническими способами изготавливают стеклянную матрицу микроканалов. Для этого используют, например, свинцово силикатное стекло.

Матрицу микроканалов из свинцово силикатного стекла подвергают восстановительному отжигу в атмосфере водорода. В результате восстановительного отжига вблизи поверхности стенок микроканалов образуется резистивно-эмиссионный слой, состоящий, упрощенно, из верхнего очень тонкого (толщиной 50-100 Å) эмиссионного слоя на основе диоксида кремния SiO₂ и других, содержащихся в свинцово-силикатном стекле, оксидов, и нижнего, более толстого резистивного слоя с восстановленным свинцом. Слой на основе диоксида кремния SiO₂ имеет коэффициент вторичной эмиссии более 1 и обеспечивает вторичную эмиссию электронов со стенок каналов. Резистивный слой с восстановленным свинцом обладает электропроводностью. Таким образом, посредством восстановительного отжига матрицы микроканалов обеспечивают достаточные показатели электропроводности и способности к вторичной электронной эмиссии стенок микроканалов матрицы.

На матрице микроканалов определяют торцевую поверхность, которая, при размещении и работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе должна быть обращена в сторону фотокатода. Данную торцевую поверхность матрицы микроканалов определяют как её входную поверхность. Соответственно, противоположную торцевую поверхность матрицы микроканалов, которая при размещении и работе микроканальной пластины в фотоэлектронном приборе должна быть обращена в сторону анода (приемника выходного сигнала), определяют как выходную поверхность матрицы микроканалов.

На входной и выходной поверхностях матрицы микроканалов известными способами формируют, соответственно, входной и выходной электроды. Входной и выходной электроды формируют в виде тонких металлических пленок, например, из хрома. При этом на входе и на выходе в микроканалы плёнки контактных электродов заглубляют на расстояние, равное от 0,2 до 3,0 диаметра микроканалов матрицы. Пленки входных электродов формируют, например, способом электронно-лучевого вакуумного напыления.

Далее поверх входного электрода формируют самонесущую пленку из полимерного материала, например, известным способом флотации.

Затем в условиях вакуума на поверхность самонесущей пленки посредством электронно-лучевого метода осаждают частицы, распыляемые из массы графитсодержащего материала, например, мелкозернистого графита. Процесс осаждения проводят при температуре не более 50 °С. Толщину углеродного слоя, образующегося на самонесущей полимерной пленке, контролируют известными способами, например, при помощи кварцевого резонансного датчика. По окончании формирования углеродного слоя заданной толщины самонесущую полимерную пленку удаляют термическим разложением. В результате удаления самонесущей полимерной пленки сформированная из углерода пленка остается расположенной непосредственно поверх входного электрода и закрывает входы в микроканалы матрицы, образуя, таким образом, ионно-барьерную пленку.

Изготовленные таким образом образцы микроканальной пластины используют в составе фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей и различных типов детекторах излучения. При вышеописанных преимуществах в сравнении с техническим решением ближайшего аналога, заявляемое техническое решение микроканальной пластины так же, как и техническое решение ближайшего аналога, позволяет обеспечить довольно высокое качество выходного сигнала и уровень усиления микроканальной пластины при её работе в фотоэлектронном приборе. В частности, в сравнении с микроканальными пластинами, содержащими ионно-барьерную пленку из Al₂O₃ или из SiO₂, образцы микроканальных пластин, изготовленные в соответствии с заявленным техническим решением, при их использовании в электронно-оптических преобразователях, повысили общий контраст изображения на экране ЭОП на 8-12 %, а отношение сигнал/шум – на 3-5 %.

1. Микроканальная пластина, содержащая выполненную из стекла матрицу микроканалов, входной электрод, выходной электрод и ионно-барьерную пленку, которая сформирована из углерода поверх входного электрода таким образом, что закрывает входы в микроканалы, причем стенки микроканалов матрицы обладают электропроводностью и способностью к вторичной электронной эмиссии, отличающаяся тем, что ионно-барьерная пленка сформирована из частиц, распыленных из массы графитсодержащего материала электронно-лучевым методом.

2. Микроканальная пластина по п. 1, отличающаяся тем, что графитсодержащий материал представляет собой мелкозернистый графит или пиролитический графит.

3. Микроканальная пластина по п. 1, отличающаяся тем, что стекло, из которого выполнена матрица микроканалов, представляет собой свинцово-силикатное стекло.

4. Микроканальная пластина по п. 1, отличающаяся тем, что входной электрод и выходной электрод выполнены из хрома или нихрома.