RU2622397C2

RU2622397C2 - High-voltage hybrid photosensitive device for detecting low-intensity radiation

Info

Publication number: RU2622397C2
Application number: RU2015134781A
Authority: RU
Inventors: Михаил Рувимович Айнбунд; Олег Витальевич Алымов; Елена Евгеньевна Левина; Андрей Владимирович Пашук; Иван Алексеевич Свищёв; Ольга Васильевна Чернова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Электрон"
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2015-08-10
Publication date: 2017-06-15
Also published as: RU2015134781A

Abstract

FIELD: photography.

SUBSTANCE: invention relates to hybrid photosensitive devices for detecting radiation of low intensity. Achieved technical result consists in fact, that high-voltage hybrid photosensitive device for detecting low-intensity radiation has series-arranged in vacuum case photocathode, conducting lattice made of material with low coefficient of secondary emission, electron-sensitive imaging array, as well as power supply unit, located outside vacuum case, for voltage supply to photocathode, lattice and matrix, providing supply of AC voltage of opposite polarities between photocathode and lattice for locking and unlocking of photocathode.

EFFECT: provision of functions of hybrid photosensitive device strobing at high voltages.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к гибридным фоточувствительным приборам, предназначенным для регистрации излучения малой интенсивности. Данные системы могут бы же в гражданской индустрии.The invention relates to hybrid photosensitive devices for detecting low-intensity radiation. These systems could be in the civilian industry.

Из уровня техники известны гибридные фоточувствительные приборы, служащие для регистрации излучения и усиления изображения. Например, известен патент на твердотельный измерительный преобразователь, усиливающий яркость изображения RU 2297070 от 09.10.2002, МПК H01J 31/50. Твердотельный измерительный преобразователь, усиливающий яркость изображения, содержит фотокатод, микроканальную пластину (МКП), твердотельный формирователь сигналов изображения, первый электрический вывод для приложения напряжения между фотокатодом и микроканальной пластиной, второй электрический вывод для приложения напряжения между микроканальной пластиной и твердотельным формирователем сигналов изображения; электрический вывод для выведения усиленного сигнала изображения с твердотельного формирователя сигналов изображения; вакуумный корпус, содержащий собранные в единый блок фотокатод, микроканальную пластину и твердотельный формирователь сигналов изображения.Hybrid photosensitive devices are known in the art for detecting radiation and enhancing an image. For example, a patent is known for a solid-state measuring transducer that enhances image brightness RU 2297070 from 10/09/2002, IPC H01J 31/50. The solid-state measuring transducer that enhances the brightness of the image contains a photocathode, a microchannel plate (MCP), a solid-state imager, a first electrical output for applying voltage between the photocathode and a microchannel plate, a second electrical output for applying voltage between the microchannel plate and a solid-state imager; an electrical terminal for outputting the amplified image signal from the solid-state imager; a vacuum housing containing the photocathode assembled into a single unit, a microchannel plate, and a solid-state imager.

Как правило, напряжение между фотокатодом и входом МКП используется в подобных приборах для включения и выключения прибора, а также для осуществления режима стробирования. Когда напряжение на фотокатоде смещено в отрицательную сторону относительно входа МКП, то поток электронов выходит из фотокатода, поступает в МКП, и на выход прибора поступает усиленный сигнал. Если же напряжение на фотокатоде положительно по отношению ко входу МКП и его значение превышает начальную энергию вылетевших фотоэлектронов, то фотоэлектроны не могут преодолеть потенциальный барьер (фототок не попадет в МКП) и прибор будет заперт.As a rule, the voltage between the photocathode and the input of the MCP is used in such devices to turn the device on and off, as well as to implement the gating mode. When the voltage at the photocathode is shifted in the negative direction relative to the input of the MCP, the electron flow leaves the photocathode, enters the MCP, and an amplified signal is supplied to the output of the device. If the voltage at the photocathode is positive with respect to the input of the MCP and its value exceeds the initial energy of the emitted photoelectrons, then the photoelectrons cannot overcome the potential barrier (the photocurrent will not enter the MCP) and the device will be locked.

Известен фотодетектор для регистрации излучения малой интенсивности (заявка US 2011/0256655, от 20.10.2011, МПК H01L 31/18). Данное устройство содержит фотокатод, электронно-чувствительную матрицу формирования изображения, расположенную на малом расстоянии от фотокатода, и источник создания электрического поля между фотокатодом и матрицей.A known photodetector for detecting low-intensity radiation (application US 2011/0256655, dated 10.20.2011, IPC H01L 31/18). This device contains a photocathode, an electron-sensitive image forming matrix located at a small distance from the photocathode, and a source of creating an electric field between the photocathode and the matrix.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что необходимая для работы прибора разность потенциалов между фотокатодом и матрицей составляет несколько киловольт, а для запирания прибора требуется подать между ними напряжение противоположной полярности, т.е. диапазон изменения напряжения должен составить несколько киловольт. Быстрое изменение (на уровне наносекунд) напряжения в таких пределах технически очень сложно и на практике нереализуемо. Из-за этого прибор не может использоваться в режиме стробирования, что ограничивает его области применения.The disadvantage of this technical solution is that the potential difference between the photocathode and the matrix necessary for the device to operate is several kilovolts, and to lock the device it is necessary to apply a voltage of opposite polarity between them, i.e. the voltage range should be several kilovolts. A rapid change (at the nanosecond level) of the voltage within such limits is technically very difficult and unrealizable in practice. Because of this, the device cannot be used in the gating mode, which limits its scope.

Задача настоящего технического решения заключается в создании высоковольтного гибридного фоточувствительного прибора для регистрации излучений малой интенсивности. Технический результат - обеспечение функции стробирования гибридного фоточувствительного прибора при больших напряжениях.The objective of this technical solution is to create a high-voltage hybrid photosensitive device for recording low-intensity radiation. The technical result is the provision of the gating function of a hybrid photosensitive device at high voltages.

Это достигается за счет того, что высоковольтный гибридный фоточувствительный прибор для регистрации излучений малой интенсивности содержит последовательно расположенные в вакуумном корпусе фотокатод, проводящую сетку, выполненную из материала с низким коэффициентом вторичной эмиссии, и электронно-чувствительную матрицу формирования изображения, а также расположенный за пределами вакуумного корпуса блок питания для подачи напряжения на фотокатод, сетку и матрицу, обеспечивающий подачу переменного напряжения противоположных полярностей между фотокатодом и сеткой для запирания и отпирание фотокатода.This is achieved due to the fact that the high-voltage hybrid photosensitive device for detecting low-intensity radiation contains a photocathode sequentially located in the vacuum housing, a conductive grid made of a material with a low secondary emission coefficient, and an electron-sensitive image forming matrix, as well as located outside the vacuum power supply unit for supplying voltage to the photocathode, grid and matrix, providing alternating voltage alternating voltage Nost between the photocathode and the grid for locking and unlocking the photocathode.

Данное техническое решение изображено на рис. 1.This technical solution is shown in Fig. one.

Высоковольтный гибридный фоточувствительный прибор содержит герметичный вакуумный корпус 1, входное окно 2 с нанесенным на его внутреннюю сторону фотокатодом 3, проводящую сетку 4, выполненную с низким коэффициентом вторичной эмиссии, электронно-чувствительную матрицу формирования изображения (ЭЧ матрица) 5, расположенную на основании 6. В качестве матрицы формирования изображения может быть использована электронно-чувствительная ПЗС-матрица или КМОП-матрица. Вакуумный герметичный корпус 1 состоит из металлических контактных колец 7 (контакт на фотокатод) и 8 (контакт на матрицу) и керамического изолятора 9, расположенного между ними. Керамическое кольцо 9 обеспечивает необходимое расстояние между контактными кольцами 7 и 8 для подачи достаточно высоких напряжений. Благодаря специфической конструкции входного окна 2 образуется малый промежуток между фотокатодом 3 и ЭЧ матрицей 5.The high-voltage hybrid photosensitive device contains a sealed vacuum housing 1, an input window 2 with a photocathode 3 deposited on its inner side, a conductive grid 4 made with a low secondary emission coefficient, and an electron-sensitive image-forming matrix (ECM) 5 located on the base 6. As an image forming matrix, an electron-sensitive CCD or CMOS sensor can be used. The vacuum sealed housing 1 consists of metal contact rings 7 (contact to the photocathode) and 8 (contact to the matrix) and a ceramic insulator 9 located between them. Ceramic ring 9 provides the necessary distance between the contact rings 7 and 8 to supply a sufficiently high voltage. Due to the specific design of the input window 2, a small gap is formed between the photocathode 3 and the EF matrix 5.

Проводящая сетка 4 прикреплена к вакуумному корпусу 1 посредством узла 10, обеспечивающего контакт на сетку. Проводящая сетка 4 выполнена из материала с низким коэффициентом вторичной эмиссии, то есть малочувствительного к высокоэнергетичным электронам, например, из медно-никелевого полотна. Конфигурация проводящей сетки 4 может быть различной: например сетчатой, линейной, круговой или любой другой с различным шагом и/или размером ячейки сетки.The conductive mesh 4 is attached to the vacuum housing 1 through the node 10, providing contact on the mesh. The conductive grid 4 is made of a material with a low secondary emission coefficient, that is, low sensitivity to high-energy electrons, for example, from a copper-nickel sheet. The configuration of the conductive mesh 4 may be different: for example, mesh, linear, circular or any other with different pitch and / or mesh cell size.

Прибор работает следующим образом. Для включения прибора на промежуток между фотокатодом 3 и основанием 6 подают разность потенциалов несколько киловольт (1,5-7 кВ). Это достигается за счет того, что на контактные кольца 7 и 8 герметичного корпуса подают разное напряжения, например на контактное кольцо 7 подают отрицательное напряжение -4 кВ, на контакт сеточного узла 10 подают отрицательное напряжение, например -3.8 кВ, тогда как контактное кольцо 8 заземлено. Напряжение подается на межэлектродные промежутки (фотокатод - сетка и сетка - матрица), что обеспечивает формирование между ними ускоряющего электрического поля: 200 В между фотокатодом и сеткой и 3.8 кВ между сеткой и матрицей. За счет приложения большого ускоряющего напряжения между фотокатодом 3 и матрицей 5 достигается значительный коэффициент усиления, достаточный для регистрации изображений малой интенсивности.The device operates as follows. To turn on the device, a potential difference of several kilovolts (1.5-7 kV) is applied to the gap between the photocathode 3 and the base 6. This is achieved due to the fact that different voltages are applied to the contact rings 7 and 8 of the sealed housing, for example, a negative voltage of -4 kV is applied to the contact ring 7, a negative voltage, for example -3.8 kV, is applied to the contact of the grid unit 10, while the contact ring 8 grounded. The voltage is applied to the interelectrode gaps (photocathode – grid and grid – matrix), which ensures the formation of an accelerating electric field between them: 200 V between the photocathode and grid and 3.8 kV between the grid and matrix. Due to the application of a large accelerating voltage between the photocathode 3 and the matrix 5, a significant gain is achieved that is sufficient for recording low-intensity images.

Электромагнитное излучение, проходя через входное окно 2, поступает на фотокатод 3, где в результате фотоэффекта образуются электроны. Под действием электрического поля электроны вылетают из фотокатода 3 по направлению к сетке 4 и электронно-чувствительной матрице формирования изображения 5, проходят сквозь ячейки сетки, на промежутке между фотокатодом и ЭЧ матрицей разгоняются за счет ускоряющего напряжения и бомбардируют ЭЧ матрицу 5 со стороны утоненной подложки. В результате бомбардировки матрицы электронами большой энергии (в нашем примере это 4 кэВ) достигается значительный коэффициент усиления, достаточный для регистрации изображений малой интенсивности, и формируется усиленный электрический сигнал. Данный сигнал выводится за пределы герметичного вакуумного корпуса 1 посредством специальных электродов (на рис. не показаны).Electromagnetic radiation, passing through the input window 2, enters the photocathode 3, where electrons are formed as a result of the photoelectric effect. Under the influence of an electric field, electrons fly out of the photocathode 3 towards the grid 4 and the electron-sensitive image-forming matrix 5, pass through the grid cells, are accelerated by the accelerating voltage in the gap between the photocathode and the EC matrix and bombard the EC matrix 5 from the side of the thinned substrate. As a result of the bombardment of the matrix by high-energy electrons (in our example, it is 4 keV), a significant gain is achieved that is sufficient to record low-intensity images, and an amplified electrical signal is generated. This signal is output outside the sealed vacuum housing 1 by means of special electrodes (not shown in Fig.).

Для того чтобы запереть прибор, на проводящую сетку через контакт 10 подают отрицательное напряжение, большее, чем напряжение на фотокатоде, например -4,01 кВ. Так как начальная энергия фотоэлектронов составляет всего несколько электрон-вольт, то даже небольшая разность потенциалов (10 В) создаст непреодолимый потенциальный барьер, т.е. такое напряжение на проводящей сетке запирает фотокатод, и ток в приборе прекращает течь. Таким образом, между фотокатодом и сеткой разность потенциалов меняется в небольших пределах: в нашем примере это от ускоряющих 200 В до запирающих минус 10 В, т.е. всего на 210 В. Такие небольшие значения напряжений можно изменять быстро. При этом большая разность потенциалов между сеткой и матрицей (в нашем примере это 3,8 кВ) остается неизменной. Это позволяет использовать прибор в режиме стробирования, в том числе совместно с источником лазерного излучения. Аналогичным образом можно осуществлять запирание прибора путем изменения потенциала фотокатода, при этом потенциал сетки остается неизменным. В нашем примере в этом случае на сетке сохраняется потенциал -3,8 кВ, а на контакт фотокатода для запирания подается потенциал -3,79 кВ (вместо -4,0 кВ в открытом режиме), т.е. потенциал фотокатода изменяется всего на 210 В. Таким образом, за счет данного технического решения обеспечивается функция стробирования гибридного фоточувствительного прибора, работающего при высоких напряжениях, путем изменения потенциала на одном из электродов (фотокатод или сетка) в небольших пределах.In order to lock the device, a negative voltage higher than the voltage at the photocathode, for example, -4.01 kV, is applied to the conductive grid through pin 10. Since the initial energy of photoelectrons is only a few electron-volts, even a small potential difference (10 V) will create an insurmountable potential barrier, i.e. this voltage on the conductive grid locks the photocathode, and the current in the device stops flowing. Thus, between the photocathode and the grid, the potential difference varies within small limits: in our example, this is from accelerating 200 V to locking minus 10 V, i.e. only 210 V. Such small voltage values can be changed quickly. In this case, the large potential difference between the grid and the matrix (in our example, 3.8 kV) remains unchanged. This allows you to use the device in the gating mode, including in conjunction with a laser source. Similarly, you can lock the device by changing the potential of the photocathode, while the potential of the grid remains unchanged. In our example, in this case, a potential of -3.8 kV is stored on the grid, and a potential of -3.79 kV (instead of -4.0 kV in the open mode) is applied to the contact of the photocathode to be locked, i.e. the potential of the photocathode changes by only 210 V. Thus, this technical solution provides the gating function of a hybrid photosensitive device operating at high voltages by changing the potential at one of the electrodes (photocathode or grid) within small limits.

Claims

The high-voltage hybrid photosensitive device for detecting low-intensity radiation contains a photocathode sequentially arranged in a vacuum casing, a conductive grid made of a material with a low secondary emission coefficient, an electron-sensitive imaging matrix, and a power supply unit located outside the vacuum casing for supplying voltage to the photocathode , grid and matrix, providing alternating voltage of opposite polarities between the photocathode and the grid to lock and unlock the photocathode.