RU2222072C2

RU2222072C2 - Electron beam amplifier

Info

Publication number: RU2222072C2
Application number: RU2000128692/09A
Authority: RU
Inventors: С.А. Гаврилов; Э.А. Ильичев; Э.А. Полторацкий; Г.С. Рычков
Original assignee: Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2004-01-20

Abstract

FIELD: vacuum electronics; image converters. SUBSTANCE: proposed electron-beam amplifier is made in the form of large-gap semiconductor film with negative or small work function for electrons. In order to enhance gain at same resolving power μ, line/mm, film is provided with through holes made so that for any point on film surface there is length of 1/μ, including this point, this length crossing at least two holes disposed on different sides of this point. Film surface whereon primary electron beam is incident may have diamond or gallium nitride area in any circumference of 1/μ in diameter. In order to reduce work function this surface is coated with several single- atom layers of Cs. Amplifier is disposed in electric tractive field whose lines of force are directed so that secondary electrons emitted from surface whereon primary beam is incident pass through holes to opposite side of film. EFFECT: enhanced gain of image converter. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумной электронике и может быть использовано в электронно-оптических преобразователях (ЭОП). The invention relates to vacuum electronics and can be used in electron-optical converters (image intensifier tubes).

Известны микроканальные пластины приборов ночного видения Дедал-200 [1] и Даркос NGB/1 [2], используемые в качестве усилителей электронного потока в ЭОП, обеспечивающие разрешающую способность 25-45 лин/мм. Known microchannel plate night vision devices Daedalus-200 [1] and Darcos NGB / 1 [2], used as amplifiers of the electron flux in the image intensifier tubes, providing a resolution of 25-45 lines / mm.

Усилители электронного потока (УЭП) [3] представляют собой микроканальную пластину (МКП) со сквозными микроканалами, в которых падающий электронный поток под действием поля рождает вторичные электроны, дающую возможность довести разрешающую способность при существующей технологии до 64 лин/мм. The electron flux amplifiers (UEP) [3] are a microchannel plate (MCP) with through microchannels in which the incident electron flux gives rise to secondary electrons under the action of the field, which makes it possible to increase the resolution with the existing technology to 64 lines / mm.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является усилитель электронного потока [4], выполненный на алмазной пленке. Усилитель электронного потока представляет алмазную пленку 1 толщиной 6 мкм (см. фиг.1). Первичные электроны 2, попадая в пленку, рождают вторичные электроны, которые под действием приложенного поля или диффузии выходят с противоположной стороны пленки 3. Closest to the claimed technical solution is an electron beam amplifier [4], made on a diamond film. The electron flow amplifier is a diamond film 1 of a thickness of 6 μm (see figure 1). Primary electrons 2, falling into the film, give rise to secondary electrons, which, under the action of an applied field or diffusion, exit from the opposite side of the film 3.

Реальные алмазные пленки дают коэффициент усиления не более 20 при энергии первичных электронов 20-30 кэВ [5], хотя теоретические расчеты показывают возможность получения усиления более 100. В то же время коэффициент усиления ~100 легко достигается уже при энергиях 2-3 кэВ, если используются вторичные электроны, выходящие через поверхность пленки, на которую падают электроны [6]. Real diamond films give a gain of no more than 20 at a primary electron energy of 20-30 keV [5], although theoretical calculations show the possibility of gaining more than 100 gain. At the same time, a gain of ~ 100 is easily achieved even at energies of 2-3 keV, if used secondary electrons emerging through the surface of the film on which the electrons fall [6].

Однако использовать в ЭОП-ах этот эффект непосредственно не удается из-за трудности переноса распределения плотности вторичных электронов на поверхности пленки в световую картинку на экране ЭОП-а. Решить проблему можно, если перевести вторичные электроны с плоскости, на которую падают первичные электроны, на противоположную сторону без существенной потери разрешающей способности. Получить разрешающую способность μ лин/мм можно, если в алмазной пленке организовать отверстия таким образом, что для любой точки поверхности пленки существует отрезок длины 1/μ, содержащий эту точку и пересекающий хотя бы два отверстия, расположенные по разные стороны от точки. However, this effect cannot be used directly in the image intensifier tubes because of the difficulty of transferring the distribution of the density of secondary electrons on the film surface to the light image on the image intensifier screen. The problem can be solved if secondary electrons are transferred from the plane onto which primary electrons fall to the opposite side without significant loss of resolution. It is possible to obtain a resolution of μ lin / mm if the holes in the diamond film are arranged in such a way that for any point on the surface of the film there is a segment of length 1 / μ containing this point and intersecting at least two holes located on opposite sides of the point.

На фиг. 2 изображена конструкция усилителя электронного потока, где
1 - кремниевая пластина КЭФ 4.5;
2 - алмазная пленка р-типа толщиной несколько микрон;
3 - напыленный Cs толщиной в несколько атомарных слоев;
4 - омические контакты к кремнию;
5 - отверстия в алмазной пленке размером несколько микрон;
6 - отверстия в кремнии диаметром 80 мм.In FIG. 2 shows the design of an electron beam amplifier, where
1 - silicon wafer KEF 4.5;
2 - p-type diamond film several microns thick;
3 - sprayed Cs with a thickness of several atomic layers;
4 - ohmic contacts to silicon;
5 - holes in a diamond film a few microns in size;
6 - holes in silicon with a diameter of 80 mm.

На фиг.3 изображен процесс дрейфа электронов с одной стороны поверхности пленки через отверстия на другую сторону, где
1 - алмазная пленка;
2 - первичный электронный пучок;
3 - область рассеивания вторичных электронов;
4 - напыленный слой Cs;
5 - эквипотенциальные линии поля;
6 - экран;
7 - отверстия в пленке.Figure 3 shows the process of electron drift on one side of the film surface through holes on the other side, where
1 - diamond film;
2 - primary electron beam;
3 - region of scattering of secondary electrons;
4 - sprayed layer of Cs;
5 - equipotential field lines;
6 - screen;
7 - holes in the film.

Конструкция усилителя электронного потока представлена на фиг. 2. На кремниевой пластине 1 находится с одной стороны алмазная пленка 2, а с другой - омический контакт 4. В центре пластины кремния находится отверстие 6, закрытое алмазной пленкой 2, покрытой слоем Cs 3. В пленке находятся правильно расположенные отверстия 5 размером в несколько микрон, и центры соседних отверстий находятся на расстоянии нескольких микрон друг от друга. The design of an electron beam amplifier is shown in FIG. 2. On the silicon wafer 1 there is a diamond film 2 on one side and an ohmic contact 4 on the other. In the center of the silicon wafer there is a hole 6 closed by a diamond film 2 coated with a layer of Cs 3. There are several correctly sized holes 5 in the film microns, and the centers of adjacent holes are a few microns apart.

Усилитель изготавливается следующим образом. В плазме на кремниевой пластине 1 формируется алмазная пленка р-типа в виде решетки. С обратной стороны кремниевой пластины наносится металл, образующий омический контакт 4 к кремнию. Затем кремниевая пластина травится со стороны контакта 4 через маску диаметром 80 мм до алмазной пленки. С помощью распыления Cs в вакууме на лицевую поверхность алмазной пленки наносится слой 4 в несколько атомарных слоев. The amplifier is made as follows. In a plasma, a p-type diamond film in the form of a lattice is formed on the silicon wafer 1. A metal is deposited on the reverse side of the silicon wafer, forming an ohmic contact 4 to silicon. Then, the silicon wafer is etched from the side of contact 4 through a mask with a diameter of 80 mm to a diamond film. By spraying Cs in vacuo, a layer 4 of several atomic layers is deposited on the front surface of the diamond film.

Принцип действия усилителя, на примере использования в ЭОП-е, состоит в следующем (см. фиг.3). При падении на алмазную пленку 1 тонкого электронного луча 2 электроны этого луча начинают неупруго рассеиваться, порождая вторичные электроны [6] . Электроны эмиттируются с поверхности пленки, на которую падает первичный электронный луч. Ускоряющее электрическое поле 5, приложенное между пленкой 1 и экраном 6, проникает через отверстия 7 на сторону пленки, с которой выходят вторичные электроны, и через отверстия, расположенные ближе всего к электронному лучу 2, вытягивает вторичные электроны на сторону пленки, обращенную к экрану. Проведенные эксперименты показывают, что таким образом удается перевести с одной стороны пленки на другую до 80% всех вторичных электронов. Поскольку область распределения вторичных электронов, вызванных первичным пучком 2, определяется ближайшими отверстиями, то она составит несколько микрон, что в конечном итоге даст разрешающую способность более 100 лин/мм, а поскольку алмазная пленка, покрытая слоем Cs, при энергии первичных электронов 2-3 кэВ дает усиление 120 [6] , то при данной конструкции усилителя и начальной энергии электронов в 2-3 кэВ получается усиление 90-100. The principle of operation of the amplifier, for example, use in the image intensifier tube, is as follows (see figure 3). When a thin electron beam 2 is incident on a diamond film 1, the electrons of this beam begin to inelastically scatter, generating secondary electrons [6]. Electrons are emitted from the surface of the film onto which the primary electron beam is incident. An accelerating electric field 5 applied between the film 1 and the screen 6 penetrates through the holes 7 to the side of the film from which the secondary electrons exit, and through the holes closest to the electron beam 2, draws the secondary electrons to the side of the film facing the screen. The experiments show that in this way it is possible to transfer from one side of the film to the other up to 80% of all secondary electrons. Since the distribution region of the secondary electrons caused by the primary beam 2 is determined by the nearest holes, it will be a few microns, which will ultimately give a resolution of more than 100 lines / mm, and since the diamond film coated with a Cs layer has a primary electron energy of 2-3 keV gives a gain of 120 [6], then with this design of the amplifier and an initial electron energy of 2-3 keV, a gain of 90-100 is obtained.

Источники информации
1. http://www.darkos.ru:8000/goggles.html.Sources of information
1.http: //www.darkos.ru:8000/goggles.html.

2. http://www.Arsenal.com. 2.http: //www.Arsenal.com.

3. Берковский А.Г. Электронные умножители. "Электроника и ее применение" (итоги науки и техники), 1973, т.5, с.43-85. 3. Berkovsky A.G. Electronic multipliers. "Electronics and its application" (results of science and technology), 1973, v.5, p. 43-85.

4. Patent US 5986387. 4. Patent US 5986387.

5. Int. Vacuum Electr. Soc. Confer., USA, Orlando, 2000, 10-13 July, p. p.38-39. 5. Int. Vacuum Electr. Soc. Confer., USA, Orlando, 2000, 10-13 July, p. p. 38-39.

6. J. E. Yater, A.Shih, and R. Abraws. Electron transport and emission properties of diamond, J. Vac. Sci. Technol. A 16(3), May/Jun 1998, pp. 913-918. 6. J. E. Yater, A. Schih, and R. Abraws. Electron transport and emission properties of diamond, J. Vac. Sci. Technol. A 16 (3), May / Jun 1998, pp. 913-918.

Claims

1. The electron beam amplifier for an electron-optical converter, which is a film of conductive material, on which one surface a primary electron stream with a two-dimensional spatial distribution is incident, and on the other hand there is a stream with the number of electrons n times greater, preserving this spatial distribution, characterized in that the film has such through holes so that for any point on the surface there is a segment of length 1 / μ containing this point and intersecting at least two holes decomposition on opposite sides of that point, where μ - resolution of the electro-optical converter.

2. The amplifier according to claim 1, characterized in that the surface on which the primary beam falls is covered with an additional layer of a substance that reduces the work function, including cesium.

3. The amplifier according to any one of claims 1 and 2, characterized in that it is located in an electric field directed in such a way that secondary electrons from the surface onto which the primary stream falls are transferred to the other side of the film.