RU135448U1

RU135448U1 - PHOTOCATODE ASSEMBLY OF A VACUUM PHOTOELECTRONIC DEVICE WITH A SEMI-TRANSPARENT PHOTOCATODE

Info

Publication number: RU135448U1
Application number: RU2012157614/07U
Authority: RU
Inventors: Лев Михайлович Балясный; Юрий Николаевич Гордиенко
Original assignee: Открытое акционерное общество "НПО "Геофизика-НВ"; Лев Михайлович Балясный; Юрий Николаевич Гордиенко
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-12-10

Abstract

1. Фотокатодный узел вакуумного фотоэлектронного прибора с полупрозрачным фотокатодом, содержащий входное окно из сапфира с гетероэпитаксиальной структурой соединений типа АВ, выращенной на монокристаллической подложке, отличающийся тем, что в него введен фланец из активного металла, закрепленный по периферийному контуру входного окна, выполненного в виде плоского диска из сапфира.2. Фотокатодный узел по п.1, отличающийся тем, что гетероэпитаксиальная структура выполнена в виде структуры GaN/GaAlN, выращенной на упомянутом плоском диске из сапфира, имеющем толщину 0,5-0,7 мм.3. Фотокатодный узел по п.1, отличающийся тем, что гетероэпитаксиальная структура выполнена на основе GaAs/GaAlAs, InGaAs/GaAs, выращенных на непрозрачных подложках GaAs и InP/InGaAs/InP, выращенных на InP, а между плоским диском из сапфира и гетероэпитаксиальной структурой расположен переходный слой стекла толщиной 0,1-0,2 мм, имеющего температурный коэффициент линейного расширения ((57±2)∙10)1/°С в диапазоне температур 20-500°С.4. Фотокатодный узел по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного металла использован титан.1. The photocathode assembly of a vacuum photoelectronic device with a translucent photocathode, containing an input window of sapphire with a heteroepitaxial structure of AB compounds grown on a single-crystal substrate, characterized in that an active metal flange is inserted into it, fixed along the peripheral contour of the input window, made in the form sapphire flat disk. 2. The photocathode assembly according to claim 1, characterized in that the heteroepitaxial structure is made in the form of a GaN / GaAlN structure grown on said sapphire flat disk having a thickness of 0.5-0.7 mm. The photocathode assembly according to claim 1, characterized in that the heteroepitaxial structure is based on GaAs / GaAlAs, InGaAs / GaAs grown on opaque GaAs and InP / InGaAs / InP substrates grown on InP, and is located between the sapphire flat disk and the heteroepitaxial structure transition layer of glass 0.1-0.2 mm thick having a temperature coefficient of linear expansion ((57 ± 2) ∙ 10) 1 / ° С in the temperature range 20-500 ° С. 4. The photocathode assembly according to claim 1, characterized in that titanium is used as the active metal.

Description

Полезная модель 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).The utility model relates to the field of creating vacuum photoelectronic devices, and more specifically to the design of the photocathode assembly of such devices, in particular, the design of photoelectronic devices (PEC), electron-optical converters (EOC).

Известны конструкции фотокатодных узлов вакуумных фотоэлектронных приборов, например, электронно-оптических преобразователей для УФ области спектра, содержащих гетероэпитаксиальную структуру GaN/GaAlN, выращенную на сапфировой подложке, описанных в патенте США 6597112 от 22.07.2003 г. и статье J.W.Glesener, A.M.Dabiran, J.P.Estrera Nitride Image Intensifiers, Proc. of SPIE Vol.7339, 2009 и наиболее близкой к настоящему предлагаемому техническому решению статье I. Mizuno, Т. Nihashi, Т. Nagai, М. Niigaki, Y. Shimizu, К. Shimano, К. Katoh, Т. Ihara, К. Okano, М. Matsumoto, М. Tachino Development of UV image intensifier tube with GaN photocathode, Proc. of SPIE Vol.6945, 2008.Known designs of photocathode assemblies of vacuum photoelectronic devices, for example, electron-optical converters for the UV spectral region, containing the heteroepitaxial GaN / GaAlN structure grown on a sapphire substrate described in US patent 6597112 from 07.22.2003 and article JWGlesener, AMDabiran, JPEstrera Nitride Image Intensifiers, Proc. of SPIE Vol.7339, 2009 and closest to the present proposed technical solution, article I. Mizuno, T. Nihashi, T. Nagai, M. Niigaki, Y. Shimizu, K. Shimano, K. Katoh, T. Ihara, K. Okano, M. Matsumoto, M. Tachino Development of UV image intensifier tube with GaN photocathode, Proc. of SPIE Vol.6945, 2008.

В первом случае, авторы статьи вырастили гетероэпитаксиальную структуру GaN/GaAlN соединений типа А³В⁵ на профилированном диске из сапфира по классической конструкции ЭОП 3-го поколения, описанной в патенте 6597112 (см. фиг.3). Согласно патента, на подложке из монокристалла, например, сапфира 15, увеличенного до размеров фотокатодного узла на фиг.3 можно вырастить структуру Al₂O₃/GaAlN и затем, после отжига этого промежуточного слоя, вырастить активный слой GaN и использовать ее в качестве фотокатодного узла ЭОП, что и сделали авторы статьи J.W.Glesener, A.M.Dabiran и J.P.Estrera. Однако, параметры этого ЭОП оказались очень низкими (квантовый выход фотоэмиссии порядка 10%), более того, в сапфире появились трещины, что свидетельствует о значительных механических напряжениях в сапфировом окне фотокатодного узла. Механические напряжения обусловлены тем, что сапфир и GaN не являются материалами, полностью согласованными по параметру кристаллической решетки. Более подробно это явление описано в статье Thermal stress in GaN epitaxial layers grown on sapphire substrates J.Appl. Phys. 77, 4389 (1995).In the first case, the authors of the article grew the heteroepitaxial structure of GaN / GaAlN compounds of type A ³ B ⁵ on a profiled sapphire disk according to the classical design of the 3rd generation image intensifier tube described in patent 6597112 (see Fig. 3). According to the patent, on the substrate from a single crystal, for example, sapphire 15, enlarged to the size of the photocathode assembly in FIG. 3, it is possible to grow the Al ₂ O ₃ / GaAlN structure and then, after annealing this intermediate layer, grow the active GaN layer and use it as the photocathode the image intensifier node, as the authors of the article JWGlesener, AMDabiran, and JPEstrera did. However, the parameters of this image intensifier turned out to be very low (the quantum yield of photoemission is about 10%); moreover, cracks appeared in sapphire, which indicates significant mechanical stresses in the sapphire window of the photocathode assembly. Mechanical stresses are due to the fact that sapphire and GaN are not materials that are completely consistent in the crystal lattice parameter. This phenomenon is described in more detail in the article Thermal stress in GaN epitaxial layers grown on sapphire substrates J.Appl. Phys. 77, 4389 (1995).

Низкий квантовый выход фотокатода и трещины в сапфире вызваны тем, что механические напряжения приводят к росту дислокаций в активном слое структуры, что, в свою приводит к снижению диффузионной длины фотоэлектронов и повышению скорости рекомбинации на гетерогранице, а если механические напряжения превышают предел прочности сапфира, то и к трещинам в нем.The low quantum yield of the photocathode and cracks in sapphire are due to the fact that mechanical stresses lead to an increase in dislocations in the active layer of the structure, which in turn leads to a decrease in the diffusion length of photoelectrons and an increase in the recombination rate at the heteroboundary, and if the mechanical stresses exceed the tensile strength of sapphire, then and to cracks in it.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является решение, изложенное в статье I.Mizuno, Т.Nihashi, Т.Nagai, М.Niigaki, Y.Shimizu, К.Shimano, К.Katoh, Т.Ihara, К.Okano, М. Matsumoto, М. Tachino Development of UV image intensifier tube with GaN photocathode, Proc. of SPIE Vol.6945, 2008. Был изготовлен фотокатодный узел 15 следующим образом: сначала был сделан профильный сапфировый диск 14, как изображено на фиг.3., а гетероэпитаксиальную структуру GaN/GaAlN 18, выращенную на тонкой (0,7 мм) сапфировой подложке 36, прижали к сапфировому диску.Closest to the proposed technical solution is the solution described in article I.Mizuno, T.Nihashi, T.Nagai, M.Niigaki, Y.Shimizu, K.Shimano, K.Katoh, T.Ihara, K.Okano, M. Matsumoto, M. Tachino Development of UV image intensifier tube with GaN photocathode, Proc. of SPIE Vol.6945, 2008. The photocathode assembly 15 was made as follows: first, a profile sapphire disk 14 was made, as shown in Fig. 3., and a heteroepitaxial structure GaN / GaAlN 18 grown on a thin (0.7 mm) sapphire substrate 36, pressed against a sapphire disk.

Далее, в сверхвысоковакуумной сборочной установке был собран классический ЭОП 3-го поколения 13 путем прогрева и активировки фотокатода в парах цезия и кислорода и последующей установки его в корпус вакуумного блока фотоэлектронного прибора, в данном случае, ЭОП 19.Further, in the ultrahigh-vacuum assembly unit, a classic 3rd generation 13 tube was assembled by heating and activating the photocathode in cesium and oxygen vapors and then installing it in the casing of the vacuum unit of the photoelectronic device, in this case, tube 19.

ЭОП работает следующим образом: на фотокатод 18 проецируют оптическое изображение в соответствующем диапазону чувствительности фотокатода спектре, в данном случае, ультрафиолетовом, которое преобразуется в электронное. Фотоэлектроны, вылетающие из фотокатода, за счет ускоряющего напряжения в катодном промежутке ЭОП 26, приложенного к входу распределенного канального умножителя электронов 21 - микроканальной пластины (МКП) 20, влетают в ее каналы. В каждом канале МКП диаметром 4-8 мкм происходит лавинное усиление электронного изображения в 200-300 раз. После усиления, электронный поток в экранном промежутке 27 снова ускоряется полем, приложенным между выходом МКП 22 и экранным узлом ЭОП с катодолюминесцентным экраном 23, нанесенным на волоконно-оптический элемент (ВОЭ) 24. Экран под действием электронного потока светится, образуя усиленное и преобразованное по спектру, изображение.The image intensifier tube operates as follows: an optical image is projected onto the photocathode 18 in the spectrum corresponding to the sensitivity range of the photocathode, in this case, ultraviolet, which is converted into electronic. Photoelectrons emitted from the photocathode, due to the accelerating voltage in the cathode gap of the tube 26 applied to the input of the distributed channel electron multiplier 21 - microchannel plate (MCP) 20, fly into its channels. In each channel of the MCP with a diameter of 4–8 μm, an avalanche amplification of the electronic image occurs 200–300 times. After amplification, the electron beam in the screen gap 27 is again accelerated by the field applied between the output of the MCP 22 and the screen assembly of the image intensifier tube with a cathode-luminescent screen 23 deposited on the fiber optic element (VOE) 24. The screen glows under the influence of the electron beam, forming an amplified and converted by spectrum, image.

Недостатком данного технического решения является необходимость изготовления профильного сапфирового диска 14 значительной толщины и сложной формы, разработки технологии сочленения гетероэпитаксиальной структуры GaN/GaAlN на сапфире 21 с этим диском и нанесения адгезионных слоев на периферийную часть профильного диска для последующей герметизации через индиевую прокладку с корпусом ЭОП 19.The disadvantage of this technical solution is the need to produce a profile sapphire disk 14 of considerable thickness and complex shape, to develop a technology for combining the heteroepitaxial structure of GaN / GaAlN on sapphire 21 with this disk, and to apply adhesive layers on the peripheral part of the profile disk for subsequent sealing through an indium gasket with a tube 19 .

Кроме того, прогрев фотокатодного узла, содержащего сапфировый диск без металлического обрамления в вакууме может осуществляться только за счет теплового излучения, однако сапфир пропускает тепловое излучение и плохо прогревается. Наличие толстого профильного диска из сапфира ухудшает контраст изображения из-за многократных переотражений света от торцевых и плоских частей его поверхности. В результате становится затруднительно достичь заданной температуры 600-650°С и, соответственно, получить высокий квантовый выход, что приводит к уменьшению чувствительности фотокатодного узла.In addition, the heating of a photocathode assembly containing a sapphire disk without a metal frame in a vacuum can be carried out only due to thermal radiation, however, sapphire transmits thermal radiation and is poorly heated. The presence of a thick profile disk made of sapphire worsens the contrast of the image due to repeated light reflections from the end and flat parts of its surface. As a result, it becomes difficult to reach a predetermined temperature of 600-650 ° C and, accordingly, to obtain a high quantum yield, which leads to a decrease in the sensitivity of the photocathode assembly.

Во втором варианте классического фотокатодного узла с гетероэпитаксиальной структурой соединений типа А³В⁵ на непрозрачной подложке, конструкция и способ изготовления которого описаны, например, в патенте США №6005257 от 21.12.1999 г. авторов Joseph P. Estrera, Keith Т. Passmore, Timothy W. Sinor, показанном на фиг.4, с профильным диском 29, изготовленным из стекла с соответствующим температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), близким к ТКЛР материала подложки гетероэпитаксиальной структуры (GaAs, InP и т.п.), методом термокомпрессионной сварки соединяют гетероэпитаксиальную структуру, состоящую из ряда слоев 30, 31, 32, 33 и 34, последний из которых является активным слоем. После его прогрева и активировки цезием и кислородом в вакууме этот слой становится фотокатодом. Подложка на рисунке не показана, так как ее удаляют химическим травлением после термокомпрессионной сварки.In the second version of the classical photocathode assembly with a heteroepitaxial structure of compounds of type A ³ B ⁵ on an opaque substrate, the construction and method of manufacture of which are described, for example, in US patent No. 6005257 from 12/21/1999 by Joseph P. Estrera, Keith T. Passmore, Timothy W. Sinor, shown in FIG. 4, with a profile disc 29 made of glass with an appropriate linear expansion temperature coefficient (TEC) close to that of the heteroepitaxial substrate material (GaAs, InP, etc.) by thermocompression welding connect hetero an epitaxial structure consisting of a number of layers 30, 31, 32, 33 and 34, the last of which is the active layer. After heating and activation with cesium and oxygen in a vacuum, this layer becomes a photocathode. The substrate in the figure is not shown, since it is removed by chemical etching after thermocompression welding.

Аналогично описанному выше на фиг.3, наличие толстого профильного диска требует нанесения ряда покрытий 35, необходимых кроме осуществления контакта фотокатода 34 с корпусом фотоэлектронного прибора после его сочленения фотокатодным узлом, адгезии индия, служащего герметизирующей прокладкой и поглощения паразитного света, попадающего на периферийную часть профильного диска, чтобы исключить потери контраста изображения. Изготовление профильного диска и нанесение всех этих слоев, в особенности, поглощающего, как описано в патенте США №4760307 от 26.07.1988 г. автора Howrth, требует использования сложного технологического оборудования, что значительно увеличивает трудоемкость изготовления фотокатодного узла.Similarly to that described above in FIG. 3, the presence of a thick profile disk requires the application of a number of coatings 35, necessary in addition to contacting the photocathode 34 with the body of the photoelectronic device after it is joined by the photocathode assembly, adhesion of indium, which serves as a sealing gasket and absorption of stray light incident on the peripheral part of the profile drive to prevent loss of image contrast. The manufacture of a profile disk and the deposition of all of these layers, in particular absorbent, as described in US Pat. No. 4,760,307 dated July 26, 1988 to Howrth, requires the use of sophisticated process equipment, which greatly increases the complexity of manufacturing a photocathode assembly.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение чувствительности, теплопроводности фотокатодного узла и контраста передаваемого изображения, упрощение конструкции и повышение ее надежности, за счет обеспечения герметизации фотокатодного узла с корпусом прибора, а также повышение производительности процесса и снижение трудоемкости изготовления.The technical result of the proposed technical solution is to increase the sensitivity, thermal conductivity of the photocathode assembly and the contrast of the transmitted image, simplify the design and increase its reliability by ensuring the sealing of the photocathode assembly with the device body, as well as increase the productivity of the process and reduce the complexity of manufacturing.

Указанный технический результат достигается в фотокатодном узле вакуумного фотоэлектронного прибора с полупрозрачным фотокатодом, содержащем входное окно из сапфира с гетероэпитаксиальной структурой соединений типа А³В⁵, выращенной на монокристаллической подложке, тем, что в него введен фланец из активного металла, закрепленный по периферийному контуру входного окна, выполненного в виде плоского диска из сапфира.The indicated technical result is achieved in the photocathode assembly of a vacuum photoelectronic device with a translucent photocathode containing an input window of sapphire with a heteroepitaxial structure of type A ³ B ⁵ compounds grown on a single-crystal substrate by the fact that an active metal flange is inserted into it, fixed along the peripheral contour of the input a window made in the form of a flat sapphire disk.

Кроме того, гетероэпитаксиальная структура может быть выполнена в виде структуры GaN/GaAlN, выращенной на упомянутом плоском диске из сапфира, имеющем толщину 0,5-0,7 мм.In addition, the heteroepitaxial structure can be made in the form of a GaN / GaAlN structure grown on said flat sapphire disk having a thickness of 0.5-0.7 mm.

Кроме того, гетероэпитаксиальная структура может быть выполнена на основе GaAs/GaAlAs, InGaAs/GaAs, выращенных на непрозрачных подложках GaAs и InP/InGaAs/InP, выращенных на InP, а между плоским диском из сапфира и гетероэпитаксиальной структурой расположен переходный слой стекла толщиной (0,1-0,2 мм), имеющего температурный коэффициент линейного расширения ((57±2)×10^-7)1/°С в диапазоне температур 20-500° С.In addition, the heteroepitaxial structure can be based on GaAs / GaAlAs, InGaAs / GaAs grown on opaque GaAs and InP / InGaAs / InP substrates grown on InP, and a transition layer of glass with a thickness of 0 is located between the sapphire flat disk and the heteroepitaxial structure , 1-0.2 mm) having a temperature coefficient of linear expansion ((57 ± 2) × 10 ^-7 ) 1 / ° С in the temperature range of 20-500 ° С.

Кроме того, в качестве активного металла может быть использован титан.In addition, titanium can be used as the active metal.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.The proposed technical solution is illustrated by drawings.

На фиг.1 показан фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно предлагаемого технического решения на прозрачной подложке.Figure 1 shows the photocathode assembly of a photoelectronic device according to the proposed technical solution on a transparent substrate.

На фиг.2 показан фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно предлагаемого технического решения на непрозрачной подложке.Figure 2 shows the photocathode assembly of a photoelectronic device according to the proposed technical solution on an opaque substrate.

На фиг.3 показана конструкция классического ЭОП 3-го поколения согласно патента-аналога.Figure 3 shows the design of the classic 3rd generation image tube according to the patent analogue.

На фиг.4 показан фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно конструкции прототипа на непрозрачной подложке.Figure 4 shows the photocathode assembly of a photoelectronic device according to the design of the prototype on an opaque substrate.

На фиг.1 обозначены:Figure 1 marked:

1 - фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно предлагаемого технического решения на прозрачной подложке;1 - photocathode assembly of a photoelectronic device according to the proposed technical solution on a transparent substrate;

2 - оправа из активного металла, например, титана;2 - a frame of an active metal, for example, titanium;

3 - прокладка из алюминия;3 - gasket made of aluminum;

4 - подложка из сапфира;4 - sapphire substrate;

5 - слои гетероэпитаксиальной структуры GaN/GaAlN/AlN.5 - layers of the heteroepitaxial structure of GaN / GaAlN / AlN.

На фиг.2 обозначены:Figure 2 marked:

6 - фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно предлагаемого технического решения на непрозрачной подложке;6 - photocathode assembly of a photoelectronic device according to the proposed technical solution on an opaque substrate;

7 - оправа из активного металла, например, титана7 - frame made of active metal, for example, titanium

8 - прокладка из алюминия;8 - gasket made of aluminum;

9 - сапфировый диск;9 - sapphire disk;

10 - тонкая стеклянная прокладка;10 - thin glass gasket;

11, 12 - слои эпитаксиальной структуры фотокатода.11, 12 - layers of the epitaxial structure of the photocathode.

На фиг.3 обозначены:Figure 3 marked:

13 - конструкция классического ЭОП 3-го поколения согласно патента - аналога;13 - design of the classic 3rd generation image intensifier tube according to the patent - analogue;

14 - фотокатодный узел;14 - photocathode node;

15 - входное окно;15 - input window;

16 - адгезионный слой;16 - adhesive layer;

17 - буферный слой;17 - buffer layer;

18 - активный слой;18 - active layer;

19 - металло-керамический корпус ЭОП;19 - metal-ceramic housing of the image intensifier tube;

20 - микроканальная пластина (МКП);20 - microchannel plate (MCP);

21 - ионно-барьерная пленка на МКП21 - ion-barrier film on the MCP

22 - контактный слой;22 - contact layer;

23 - катодолюминесцентный экран;23 - cathodoluminescent screen;

24 - волоконно-оптический элемент;24 - fiber optic element;

25 - слой алюминия;25 - a layer of aluminum;

26 - катодный промежуток;26 - cathode gap;

27 - экранный промежуток.27 - screen gap.

На фиг.4 обозначены:In figure 4 are indicated:

28 - фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно конструкции прототипа на непрозрачной подложке;28 is a photocathode assembly of a photoelectronic device according to the design of the prototype on an opaque substrate;

29 - профильный диск;29 - profile disk;

30, 31, 32, 33, 34 слои эпитаксиальной структуры фотокатода;30, 31, 32, 33, 34 layers of the epitaxial structure of the photocathode;

35 - контактно-адгезионные покрытия для обеспечения контакта активного слоя фотокатода 34 с периферией фотокатодного узла и адгезии к слою индия металлокерамического корпуса фотоэлектронного прибора (не показан).35 - contact-adhesive coatings to ensure contact of the active layer of the photocathode 34 with the periphery of the photocathode assembly and adhesion to the indium layer of the cermet casing of the photoelectronic device (not shown).

Фотокатодный узел вакуумного фотоэлектронного прибора с полупрозрачным фотокатодом 1 или 6, содержит входное окно в виде плоского диска из сапфира 4 или 9 с гетероэпитаксиальной структурой соединений типа А³В⁵, выращенной на монокристаллической подложке, фланец 2 или 7 из активного металла, закрепленный по периферийному контуру входного окна. Гетероэпитаксиальная структура выполнена в виде структуры GaN/GaAlN, выращенной на упомянутом плоском диске из сапфира 4, имеющем толщину 0,5-0,7 мм. Гетероэпитаксиальная структура может быть выполнена на основе GaAs/GaAlAs, InGaAs/GaAs, выращенных на непрозрачных подложках GaAs и InP/InGaAs/InP, выращенных на InP, а между плоским диском из сапфира 9 и гетероэпитаксиальной структурой расположен переходный слой стекла 10 толщиной (0,1-0,2 мм), имеющего температурный коэффициент линейного расширения ((57±2)×10^-7)1/°С в диапазоне температур 20-500°С. В качестве активного металла использован титан.The photocathode assembly of a vacuum photoelectronic device with a semitransparent photocathode 1 or 6, contains an input window in the form of a flat disk made of sapphire 4 or 9 with a heteroepitaxial structure of compounds of type A ³ B ⁵ grown on a single crystal substrate, a flange 2 or 7 of the active metal, fixed on the peripheral outline of the input window. The heteroepitaxial structure is made in the form of a GaN / GaAlN structure grown on said sapphire 4 flat disk having a thickness of 0.5-0.7 mm. The heteroepitaxial structure can be based on GaAs / GaAlAs, InGaAs / GaAs grown on opaque GaAs and InP / InGaAs / InP substrates grown on InP, and between the flat sapphire disk 9 and the heteroepitaxial structure there is a transition layer of glass 10 with a thickness of (0, 1-0.2 mm) having a temperature coefficient of linear expansion ((57 ± 2) × 10 ^-7 ) 1 / ° С in the temperature range of 20-500 ° С. As the active metal used titanium.

Процесс изготовления фотокатодного узла вакуумного фотоэлектронного прибора с полупрозрачным фотокатодом, включает изготовление гетероэпитаксиальной структуры на монокристаллической подложке и закрепление ее на входном окне. В качестве входного окна используют плоский диск из сапфира 4 или 9, на монокристаллической подложке эпитаксиально выращивают последовательно стопорный, активный 12 и буферный слои 11 гетероэпитаксиальной структуры, приваривают ее к материалу сапфира входного окна, подложку и стопорный слой стравливают селективным травлением (в связи с чем они не показаны на чертежах), после чего по периферии входного окна приваривают фланец 2 или 7 из активного металла.The manufacturing process of the photocathode assembly of a vacuum photoelectronic device with a translucent photocathode includes the manufacture of a heteroepitaxial structure on a single crystal substrate and fixing it to the input window. A flat disk made of sapphire 4 or 9 is used as an input window, a stop, active 12 and buffer layers 11 of a heteroepitaxial structure are epitaxially grown on a single crystal substrate, it is welded to the input window sapphire material, the substrate and a stop layer are etched by selective etching (in this connection they are not shown in the drawings), after which a flange 2 or 7 of active metal is welded around the periphery of the inlet window.

В качестве монокристаллической подложки возможно использование плоской подложки из GaAs, на которой последовательно выращивают эпитаксиально стопорный слой GaAlAs, активный слой GaAs и буферный слой GaAlAs, а гетероэпитаксиальную структуру к материалу сапфира входного окна приваривают через стеклянную прокладку 10 или прокладку из аналогичного пластичного материала. Обычно гетероэпитаксиальную структуру с подложкой к материалу сапфира входного окна приваривают термокомпрессионной сваркой.As a single-crystal substrate, it is possible to use a flat GaAs substrate on which a GaAlAs retaining layer, an active GaAs layer and a GaAlAs buffer layer are successively grown epitaxially, and the heteroepitaxial structure is welded to the input window sapphire material through a glass strip 10 or a strip made of a similar plastic material. Usually a heteroepitaxial structure with a substrate is welded by thermocompression welding to the input window sapphire material.

Конкретная реализация технического решения и функционирование фотокатодного узла с обеспечением устранения недостатков прототипа и аналогов с достижением технического результата показано ниже.The specific implementation of the technical solution and the operation of the photocathode assembly with the elimination of the disadvantages of the prototype and analogues with the achievement of the technical result is shown below.

Конструкция фотокатодного узла 1, показанная на фиг.1 (на прозрачной подложке), состоит из гетероэпитаксиальной структуры GaN/GaAlN 4, выращенной на сапфировой подложке 5 и содержит на периферийной части металлический фланец 2, сочлененный с сапфировой подложкой через прокладку из алюминия 3.The design of the photocathode assembly 1 shown in Fig. 1 (on a transparent substrate) consists of a heteroepitaxial structure GaN / GaAlN 4 grown on a sapphire substrate 5 and contains on the peripheral part a metal flange 2 joined to the sapphire substrate through an aluminum strip 3.

Наличие массивного металлического фланца на периферийной части фотокатодного узла, прочно и вакуумно-плотно сочлененного с гетероэпитаксиальной структурой GaN/GaAlN, выращенной на сапфировой подложке, которые обладают высокой теплопроводностью, обеспечивают прогрев структуры до заданной температуры 600-650°С без особого труда, а такой прогрев является гарантией получения высокого квантового выхода фотокатода.The presence of a massive metal flange on the peripheral part of the photocathode assembly, firmly and vacuum-tightly coupled to a GaN / GaAlN heteroepitaxial structure grown on a sapphire substrate, which have high thermal conductivity, ensures the structure is heated to a predetermined temperature of 600-650 ° C without any difficulty, and such warming up is a guarantee of obtaining a high quantum yield of the photocathode.

В предлагаемой конструкции фотокатодного узла сама гетероэпитаксиальная структура GaN/GaAlN выращенная на сапфировой подложке, является входным окном фотоэлектронного прибора. Поэтому при ее небольшой толщине (не более 0,5 мм) ухудшение контраста за счет переотражений от плоских и, тем более, торцевых ее частей, влияющее на контраст изображения, не наблюдается.In the proposed design of the photocathode assembly, the heteroepitaxial GaN / GaAlN structure itself grown on a sapphire substrate is the input window of the photoelectronic device. Therefore, with its small thickness (not more than 0.5 mm), the contrast deterioration due to reflections from its flat and, especially, its end parts, affecting the image contrast, is not observed.

Герметизация фотокатодного узла осуществляется традиционным для этих приборов способом - холодной сваркой через индиевую прокладку, сплавленную с корпусом фотоэлектронного прибора в месте герметизации. Однако, для герметизации фотокатодного узла в традиционной конструкции прототипа необходима металлизация поверхности стеклянного или сапфирового профильного диска. Иначе вакуумная плотность места соединения не гарантируется.The sealing of the photocathode assembly is carried out in a manner traditional for these devices — cold welding through an indium gasket fused to the body of the photoelectronic device at the sealing site. However, to seal the photocathode assembly in a traditional prototype design, metallization of the surface of a glass or sapphire profile disk is necessary. Otherwise, the vacuum density of the joint is not guaranteed.

В связи с тем, что в предлагаемой конструкции фланец, сочлененный со структурой, изготовлен из титана, то для его холодной сварки с индиевой прокладкой металлизация не требуется.Due to the fact that in the proposed design the flange jointed with the structure is made of titanium, metallization is not required for its cold welding with indium gasket.

С целью повышения контраста изображения, надежности конструкции и производительности процесса и снижения трудоемкости изготовления предлагается также конструкция фотокатодного узла 6, показанная на фиг.2 (на непрозрачной подложке). Аналогично узлу, изготовленному в первом варианте настоящего описания (фиг.1), к металлическому фланцу 7 приварена сапфировая подложка 9, на которую также методом термокомпрессионной сварки через тонкую (0,1-0,2 мм) прокладку из стекла 10, имеющего температурный коэффициент линейного расширения 57±2×10^-71/град. С в диапазоне температур 20-500 град. С, приварена гетероэпитаксиальная структура из буферного слоя 11 и активного слоя 12 на основе GaAs/GaAlAs, InGaAs/GaAs, выращенная на GaAs или InP/InGaAs/InP, выращенная на InP или другой непрозрачной подложке (подложка удалена химическим способом после термокомпрессионной сварки и на фиг.2 не показана).In order to increase the contrast of the image, the reliability of the design and the productivity of the process and reduce the complexity of manufacturing, the construction of the photocathode assembly 6 shown in Fig. 2 (on an opaque substrate) is also proposed. Similarly to the assembly made in the first embodiment of the present description (Fig. 1), a sapphire substrate 9 is welded to the metal flange 7, onto which also a method of thermal compression welding through a thin (0.1-0.2 mm) gasket made of glass 10 having a temperature coefficient linear expansion 57 ± 2 × 10 ^-7 1 / deg. C in the temperature range of 20-500 degrees. C, a heteroepitaxial structure is welded from the buffer layer 11 and the active layer 12 based on GaAs / GaAlAs, InGaAs / GaAs grown on GaAs or InP / InGaAs / InP, grown on InP or another opaque substrate (the substrate is chemically removed after thermal compression welding and on figure 2 is not shown).

Данная конструкция фотокатодного узла лишена недостатков, описанных выше. Она не требует нанесения адгезионных слоев 35 (фиг.4), так как содержит в своей конструкции металлический фланец из активного металла 7, например, титана, образующего с индием при холодной сварке вакуумно-плотное соединение и поэтому обладает более высокой надежностью. Кроме того, при использовании тонкого (порядка 0,5 мм) сапфирового диска 9 нет необходимости применять светопоглощающее покрытие, так как переотражение от торцевых частей диска отсутствует и, следовательно, изображение, полученное с использованием фотокатодного узла предлагаемой конструкции, имеет более высокий контраст.This design of the photocathode assembly is free from the drawbacks described above. It does not require the application of adhesive layers 35 (Fig. 4), since it contains a metal flange of active metal 7, for example, titanium, which forms a vacuum-tight connection with indium during cold welding and therefore has a higher reliability. In addition, when using a thin (about 0.5 mm) sapphire disk 9, there is no need to apply a light-absorbing coating, since there is no re-reflection from the end parts of the disk and, therefore, the image obtained using the photocathode assembly of the proposed design has a higher contrast.

Таким образом, при использовании предлагаемого технического решения обеспечивается достижение технического результата в виде повышения чувствительности, теплопроводности фотокатодного узла и контраста передаваемого изображения, упрощения конструкции и повышения ее надежности, за счет обеспечения герметизации фотокатодного узла с корпусом прибора, а также повышения производительности процесса и снижения трудоемкости изготовления.Thus, when using the proposed technical solution, it is possible to achieve a technical result in the form of increasing the sensitivity, thermal conductivity of the photocathode assembly and the contrast of the transmitted image, simplifying the design and increasing its reliability, by ensuring the sealing of the photocathode assembly with the housing of the device, as well as increasing the productivity of the process and reducing the complexity manufacture.

Claims

1. The photocathode assembly of a vacuum photoelectronic device with a translucent photocathode, containing an input window of sapphire with a heteroepitaxial structure of compounds of type A ³ B ⁵ grown on a single crystal substrate, characterized in that an active metal flange is inserted into it, fixed along the peripheral contour of the input window, made in the form of a flat sapphire disk.

2. The photocathode assembly according to claim 1, characterized in that the heteroepitaxial structure is made in the form of a GaN / GaAlN structure grown on said sapphire flat disk having a thickness of 0.5-0.7 mm.

3. The photocathode assembly according to claim 1, characterized in that the heteroepitaxial structure is based on GaAs / GaAlAs, InGaAs / GaAs grown on opaque GaAs and InP / InGaAs / InP substrates grown on InP, and between a flat sapphire and heteroepitaxial disk the structure is a transition layer of glass with a thickness of 0.1-0.2 mm, having a temperature coefficient of linear expansion ((57 ± 2) ∙ 10 ^-7 ) 1 / ° C in the temperature range of 20-500 ° C.

4. Photocathode assembly according to claim 1, characterized in that titanium is used as the active metal.