RU2572392C1

RU2572392C1 - Uv range photomultiplier tube

Info

Publication number: RU2572392C1
Application number: RU2014133856/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Беспалов; Эдуард Анатольевич Ильичев; Геннадий Сергеевич Рычков; Георгий Николаевич Петрухин; Сергей Владимирович Куклев; Дмитрий Сергеевич Соколов; Наталья Викторовна Соколова; Сергей Станиславович Якушов; Сергей Александрович Белянченко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "КБ Радуга"
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2016-01-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: photomultiplier tube is a hybrid assembly of a multielement device comprising an input optical window, a diamond photocathode, dynodes and an anode. A multialkali photocathode film with a nanosize thickness is situated on the output surface of the optical window, the surface of the diamond photocathode is nano(micro)-structured and weakly doped with acceptors, the surface of the dynodes is nano(micro)-structured and coated with a diamond film, which is weakly doped with acceptors.

EFFECT: wider long-wave region of the range of spectral sensitivity to electromagnetic radiation, high current sensitivity and quantum efficiency.

Description

Изобретение выполняет функцию фотоэлектронного умножителя, чувствительного в УФ-диапазоне, то есть устройства, предназначенного для пропорционального преобразования электромагнитного излучения УФ-области оптического диапазона в электрический сигнал. Актуальность изобретения обусловлена резко выросшим интересом к высокочувствительным и эффективным детекторам ультрафиолетового излучения, и оно может быть использовано для решения ряда задач промышленного, медицинского, экологического и охранного характера массового назначения [1, 2].The invention performs the function of a photomultiplier tube that is sensitive in the UV range, that is, a device designed to proportionally convert electromagnetic radiation from the UV region of the optical range into an electrical signal. The relevance of the invention is due to the sharply increased interest in highly sensitive and effective detectors of ultraviolet radiation, and it can be used to solve a number of problems of industrial, medical, environmental and protective nature of mass purpose [1, 2].

Фотоэлектронные умножители в зависимости от спектральных характеристик используемого фотокатода различаются по типу их применения, который определяется спектральным диапазоном регистрируемого излучения. В УФ-диапазоне обычно выделяют три поддиапазона: длинноволновый, или UV-A (λ=320-400 нм); средневолновый, или UV-B (λ=280-320 нм); коротковолновый, или UV-C (λ=120-280 нм). Регистрация излучений поддиапазонов UV-A (λ=320-400 нм) и UV-B (λ=280-320 нм) возможна твердотельными широкозонными полупроводниковыми фотоприемными устройствами резистивной либо p-n переходной конструкций, работающими на эффекте собственного поглощения (например, на основе нитрида галлия либо алмаза, с шириной запрещенной зоны большей 4…5 эВ), либо лавинными фотоприемниками на основе мультислойных структур из традиционных материалов (например, на основе кремния), но с приемным слоем наноразмерной толщины и экстремально высокого качества, включая качество поверхности. В частности, высокочистый кремний с термическим образом пассивируемой двуоксидом кремния поверхностью, с плотностью состояний на границе раздела не более 10⁹ см^-2, с уровнем загрязненности фоновой примесью, не превышающим 10¹² см^-3, пригоден для конструирования фотоприемников УФ-диапазона, вплоть до границы в ~0,2 мкм [3]. Однако, столь высокие требования к материалу доступны считанному числу производителей, а технология его получения крайне затратная. Что же касается эффективности использования для регистрации УФ-квантов приемниками на основе широкозонных материалов с соответствующей шириной запрещенной зоны, то и здесь существуют свои физические и технологические проблемы. Основной из них является высокая дефектность широкозонных материалов, их загрязненность фоновой примесью, резко снижающая пороговую чувствительность и квантовую эффективность устройства в целом. В настоящее время существуют фоторезистивные и p-n переходные полупроводниковые УФ-приемники излучений, чувствительные в указанной области спектра, выполненные на базе поликристаллических алмазных пленок [4]. Их токовая чувствительность достигает ~ 40 мА/Вт, темновой ток ~ 0,1-1 нА, а спектральный диапазон чувствительности 0,19-0,27 мкм при квантовой эффективности ~ 12%. Однако структурное совершенство поликристаллического материала низкое, а степень загрязненности неконтролируемой фоновой примесью высока. Все это ограничивает быстродействие и динамический диапазон по входному сигналу у твердотельных полупроводниковых широкозонных приемников излучений.Depending on the spectral characteristics of the used photocathode, photoelectric multipliers differ in the type of their application, which is determined by the spectral range of the detected radiation. Three sub-bands are usually distinguished in the UV range: long-wavelength, or UV-A (λ = 320-400 nm); medium wave, or UV-B (λ = 280-320 nm); shortwave, or UV-C (λ = 120-280 nm). The registration of the radiation of the UV-A (λ = 320-400 nm) and UV-B (λ = 280-320 nm) subbands is possible with solid-state wide-gap semiconductor photodetectors of resistive or pn transition structures operating on the intrinsic absorption effect (for example, based on gallium nitride either diamond, with a band gap greater than 4 ... 5 eV), or avalanche photodetectors based on multilayer structures of traditional materials (for example, based on silicon), but with a receiving layer of nanoscale thickness and extremely high quality, including honors surface. In particular, high-purity silicon with a thermally passivated silicon dioxide surface, with a density of states at the interface of not more than 10 ⁹ cm ^-2 , with a level of contamination of the background impurity not exceeding 10 ¹² cm ^-3 , is suitable for the construction of UV photodetectors, up to to the boundary of ~ 0.2 μm [3]. However, such high requirements for the material are available to a limited number of manufacturers, and the technology for its production is extremely costly. As regards the efficiency of using detectors based on wide-band materials with the corresponding band gap for the detection of UV quanta, there are also physical and technological problems. The main one is the high defectiveness of wide-gap materials, their contamination with a background impurity, which sharply reduces the threshold sensitivity and quantum efficiency of the device as a whole. At present, there are photoresistive and pn transition semiconductor UV radiation detectors sensitive in the indicated spectral region based on polycrystalline diamond films [4]. Their current sensitivity reaches ~ 40 mA / W, the dark current is ~ 0.1-1 nA, and the spectral sensitivity range is 0.19-0.27 μm with a quantum efficiency of ~ 12%. However, the structural perfection of the polycrystalline material is low, and the degree of contamination with an uncontrolled background impurity is high. All this limits the speed and dynamic range of the input signal for solid-state semiconductor wide-gap radiation receivers.

Известны вакуумные УФ-фотоприемники с архитектурой ФЭУ [5]. Приемники этой архитектуры имеют наиболее высокую фоточувствительность и наименьшие токи утечки. В частности, ФЭУ с многощелочными наноразмерной толщины фотокатодами, содержащими цезий и сурьму, высокочувствительны в диапазоне свыше 500 нм, при оптимальных толщинах слоев сурьмы (~20-30 нм), диапазон их максимальной токовой чувствительности достигает 60 мА/Вт, при квантовом выходе ~ в 15-20% [6]. Существуют также и опытные разработки «солнечно-слепых» ФЭУ, чувствительных в спектральном диапазоне 120-360 нм, с теллур-цезиевыми фотокатодами [7]; однако квантовый выход в них достигает лишь 8-9%, а токовая чувствительность (в максимуме, 240-250 нм) ~15 мА/Вт.Vacuum UV photodetectors with PMT architecture are known [5]. The receivers of this architecture have the highest photosensitivity and lowest leakage currents. In particular, PMTs with multi-alkaline nanoscale thicknesses of photocathodes containing cesium and antimony are highly sensitive in the range above 500 nm, with optimal antimony layer thicknesses (~ 20-30 nm), their maximum current sensitivity range reaches 60 mA / W, with a quantum output ~ in 15-20% [6]. There are also experimental designs of “sun-blind” PMTs, sensitive in the spectral range of 120-360 nm, with tellurium-cesium photocathodes [7]; however, the quantum yield in them reaches only 8–9%, and the current sensitivity (at maximum, 240–250 nm) is ~ 15 mA / W.

В настоящем изобретении в качестве прототипа предлагается использовать ФЭУ с алмазным фотокатодам [8]. Он представляют собою вакуумный приемник излучений с архитектурой ФЭУ с алмазным фотокатодом и динодами конструкции circular-cage в количестве 9 штук. Спектральный диапазон их работы составляет 0,120-0,230 мкм, токовая чувствительность (фоточувствительность) ~50 мА/Вт, темновой ток 1-5 нА, быстродействие -22 нс.In the present invention, as a prototype, it is proposed to use PMTs with diamond photocathodes [8]. It is a vacuum radiation detector with a PMT architecture with a diamond photocathode and circular-cage dynodes in the amount of 9 pieces. The spectral range of their operation is 0.120-0.230 μm, the current sensitivity (photosensitivity) is ~ 50 mA / W, the dark current is 1-5 nA, and the response speed is -22 ns.

Задачей изобретения является расширение в длинноволновую область (до 450 нм) диапазона спектральной чувствительности к электромагнитному излучению стабильного «солнечно слепого» ФЭУ, повышение его токовой чувствительности и квантовой эффективности.The objective of the invention is the expansion in the long wavelength region (up to 450 nm) of the range of spectral sensitivity to electromagnetic radiation of a stable "sun blind" PMT, increasing its current sensitivity and quantum efficiency.

Это реализуется в конструкции фотоэлектронного умножителя, представляющего собой гибридную сборку многоэлементного устройства в составе входного оптического окна, алмазного фотокатода, динодов и анода, отличающегося тем, что пленка многощелочного фотокатода наноразмерной толщины расположена на выходной поверхности входного оптического окна, поверхность алмазного фотокатода нано(микро)структурирована и слабо легирована акцепторами, поверхность динодов нано(микро)структурирована и покрыта алмазной пленкой, слабо легированной акцепторами.This is realized in the construction of a photoelectronic multiplier, which is a hybrid assembly of a multi-element device consisting of an input optical window, a diamond photocathode, dynodes and anode, characterized in that the film of a multiline alkaline photocathode of nanoscale thickness is located on the output surface of the input optical window, the surface of the diamond photocathode is nano (micro) structured and lightly doped with acceptors, the surface of the nano (micro) dynodes is structured and coated with a diamond film, lightly doped with acce ptors.

Таким образом, предлагаемый ФЭУ представляет гибридную вакуумную сборку из следующих базовых элементов: входное оптическое окно для излучения диапазона прозрачности 0,12-0,45 мкм (например, окна из MgF₂); пленка многощелочного фотокатода толщиною ~20-30 нм (для излучения указанного диапазона прозрачность на уровне 60-70%), осажденная в качестве источника ионов щелочного металла на внутреннюю (выходную) поверхность входного оптического окна; фотокатод на основе нано- и микроструктурированной поликристаллической алмазной пленки, слабо легированной акцепторами; диноды на основе нано(микро)структурированных алмазных пленок и анод.Thus, the proposed PMT represents a hybrid vacuum assembly of the following basic elements: an input optical window for emitting a transparency range of 0.12-0.45 μm (for example, MgF ₂ windows); a film of a multi-alkaline photocathode with a thickness of ~ 20-30 nm (for radiation of the indicated range, the transparency is at the level of 60-70%), deposited as an alkali metal ion source on the inner (output) surface of the input optical window; photocathode based on nano- and microstructured polycrystalline diamond film, lightly doped with acceptors; dynodes based on nano (micro) structured diamond films and anode.

Положительный эффект от использования заявляемой конструкции ожидается в силу следующих обстоятельств:A positive effect from the use of the claimed design is expected due to the following circumstances:

- собственное эффективное поглощение излучения в пленке алмазного фотокатода соответствует спектральному диапазону 0,12-0,27 мкм;- intrinsic effective absorption of radiation in the film of the diamond photocathode corresponds to the spectral range of 0.12-0.27 microns;

- некоторым граням алмазных кристаллитов (например, 111) свойственно отрицательная энергия сродства, что существенно понизит барьер для выхода вторичных электронов (вплоть до уровня ~1 эВ, определяемого силами зеркального изображения);- some facets of diamond crystallites (for example, 111) are characterized by negative affinity energy, which will significantly lower the barrier to the exit of secondary electrons (up to a level of ~ 1 eV, determined by the forces of the mirror image);

- использование массивов из наноразмерных острий на поверхности фотокатода и на поверхностях динодов позволит существенно понизить рабочие напряжения и расширить спектральный диапазон;- the use of arrays of nanoscale points on the surface of the photocathode and on the surfaces of the dynodes will significantly reduce the operating voltage and expand the spectral range;

- наличие фотокатода из наноразмерной толщины мультищелочной пленки цезия и сурьмы, либо оксида магния будет служить источником атомов цезия, потоки ионов которых, испускаемые в режиме «on line», адсорбируясь на поверхности алмазной пленки фотокатода и динодов, понизят работу выхода и с других граней алмазных кристаллитов, что приведет к существенному увеличению квантового выхода фотоэлектронов и расширит спектральный диапазон фоточувствительности в длинноволновую область;- the presence of a photocathode from the nanoscale thickness of the multisaline film of cesium and antimony, or magnesium oxide will serve as a source of cesium atoms, the ion flux emitted in the on line mode, adsorbed on the surface of the diamond film of the photocathode and dynodes, will reduce the work function from other faces of diamond crystallites, which will lead to a significant increase in the quantum yield of photoelectrons and will expand the spectral range of photosensitivity to the long-wavelength region;

- алмазные пленки стойки к дозовым радиационным нагрузкам ионизирующих излучений, а мультищелочные пленки наноразмерной толщины имеют ничтожно малое сечение взаимодействия с жестким ультрафиолетовым излучением, что обеспечит изделиям большой рабочий ресурс.- diamond films are resistant to radiation doses of ionizing radiation, and multi-alkaline films of nanoscale thickness have a negligible interaction cross section with hard ultraviolet radiation, which will provide products with a long working life.

Для реализации предлагаемой конструкции УФ ФЭУ предлагается выполнить следующую совокупность технологических процедур: на подготовленную известными методами (отмывка в органических растворителях, например, в бензоле, и последующая обработка низкомощностными потоками плазмы кислород-аргон) плоскую либо нано(микро)структурированную поверхность твердотельной подложки нанести (например, методом центрифугирования) порошок из нанокристаллитов алмаза (предварительно сепарированный по размерам с использованием ультразвуковых методов); посредством PECVD метода вырастить на нано(микро)структурированной поверхности указанной подложки с нанесенными алмазными нанокристаллитами сплошную поликристаллическую алмазную пленку, слабо легированную бором, а для случая плоской поверхности подложки сформировать на поверхности нанесенной алмазной пленки массив из алмазных наноразмерных объектов с большим аспектным отношением (например, наноразмерных алмазных конусов); последнее может быть реализовано посредством совместного использования методов высокочастотного плазмохимического и ионного травлений поверхности алмазной пленки, предварительно покрытой массивами из наноразмерных массирующих областей с латеральными размерами 0,2-0,4 мкм; сформировать на тыльной стороне пластины оптического входного окна (например, оптического окна из MgF₂) пленку многощелочного фотокатода наноразмерной толщины, содержащую цезий и сурьму, либо оксид магния; аналогичным образом изготовить нано(микро)структурированные электроды динодов с покрытиями из алмазных пленок; изготовить электрод анода; с использованием стандартных методов осуществить вакуумную сборку перечисленных базовых элементов в высоковакуумированный корпус. Далее формируем гальванические связи к омическим контактам фотокатода, динодов и анода.To implement the proposed design of the UV PMT, it is proposed to perform the following set of technological procedures: apply a flat or nano (micro) structured surface of a solid-state substrate to the surface prepared by known methods (washing in organic solvents, for example, benzene, and subsequent processing with low-power plasma flows of oxygen-argon) ( for example, by centrifugation) a powder of diamond nanocrystallites (pre-separated by size using ultrasonic methods); using the PECVD method, grow a continuous polycrystalline diamond film lightly doped with boron on a nano (micro) structured surface of the indicated substrate with diamond nanocrystallites, and for the case of a flat surface of the substrate, form an array of diamond nanoscale objects with a large aspect ratio on the surface of the deposited diamond film (for example, nanoscale diamond cones); the latter can be realized through the joint use of methods of high-frequency plasmochemical and ion etching of the surface of a diamond film previously coated with arrays of nanoscale massaging regions with lateral sizes of 0.2-0.4 microns; to form on the back side of the plate of the optical input window (for example, an optical window of MgF ₂ ) a film of a multi-alkaline photocathode of nanoscale thickness containing cesium and antimony, or magnesium oxide; in a similar way to produce nano (micro) structured electrodes of dynodes with coatings from diamond films; to make an anode electrode; using standard methods, carry out the vacuum assembly of the listed basic elements in a highly vacuum housing. Next, we form galvanic bonds to the ohmic contacts of the photocathode, dynodes, and anode.

Таким образом, ФЭУ реализуется посредством вакуумной гибридной сборки в вакуумный корпус многоэлементного устройства в составе: входного оптического окна, мультищелочного фотокатода - источника цезия, осажденного на выходную (тыльную) поверхность входного оптического окна, фотокатода на основе алмазных пленок с нано(микро)структурированной поверхностью, динодов покрытых алмазными пленками с микро(нано)структурированной поверхностью, и анода.Thus, a PMT is realized by means of a vacuum hybrid assembly into a vacuum case of a multi-element device consisting of: an input optical window, a multi-alkaline photocathode - a cesium source deposited on the output (back) surface of the input optical window, a photocathode based on diamond films with a nano (micro) structured surface , dynodes coated with diamond films with a micro (nano) structured surface, and the anode.

Экспериментальная проверка реализации положительного эффекта (см. рис. 2) показала, что диапазон спектральной чувствительности предлагаемой системы составляет 190-450 нм, токовая чувствительность ~70 мА/Вт, квантовая эффективность ~25%. Детальные исследования показали, что снизу диапазон ограничен диапазоном прозрачности входного окна, а область чувствительности алмазных пленок снизу доходит до 120 нм.An experimental verification of the implementation of the positive effect (see Fig. 2) showed that the spectral sensitivity range of the proposed system is 190-450 nm, the current sensitivity is ~ 70 mA / W, and the quantum efficiency is ~ 25%. Detailed studies have shown that the bottom range is limited by the transparency range of the input window, and the sensitivity range of diamond films from below reaches 120 nm.

Таким образом, в рамках заявляемой конструкции появляется возможность реализовать с высокой токовой чувствительностью УФ ФЭУ, эффективно работающий в расширенной спектральной области 0,12-0,45 мкм, что позволяет использовать обсуждаемый фотоприемник в системах оптической локации УФ-диапазона.Thus, within the framework of the claimed design, it becomes possible to realize a high-sensitivity UV photomultiplier that efficiently operates in the expanded spectral region of 0.12-0.45 μm, which makes it possible to use the discussed photodetector in optical ranging systems of the UV range.

Источники информацииInformation sources

1. http://www.sensorica.ru/news3.shtml>1.http: //www.sensorica.ru/news3.shtml>

2. В. Зотов, Ε. Виноградова. Ультрафиолетовое излучение - это опасно. // Мир и безопасность. 2006. №4. С. 48-50.2. V. Zotov, Ε. Vinogradova. Ultraviolet radiation is dangerous. // Peace and security. 2006. No4. S. 48-50.

3. (a). Korde R. et al. Stable, high quantum efficiency silicon photodiodes for vacuum-UV applications. - Proc. SPIE, 1988, v.932, p.153; (b). Talmi Y., Simpson R.W. Self-scanned photodiode array: a multichannel spectrometric detector. - Applied Optics, 1980, v. 19, p. 1401.3. (a). Korde R. et al. Stable, high quantum efficiency silicon photodiodes for vacuum-UV applications. - Proc. SPIE, 1988, v. 932, p. 153; (b). Talmi Y., Simpson R.W. Self-scanned photodiode array: a multichannel spectrometric detector. - Applied Optics, 1980, v. 19, p. 1401.

4. Marchywka M. et al. Ultraviolet photoresponse characteristics of diamond diodes. - Applied Optics, 1991, v.30, p.5010.4. Marchywka M. et al. Ultraviolet photoresponse characteristics of diamond diodes. - Applied Optics, 1991, v. 30, p. 5010.

5. Ulmer M.P. Future detectors for space applications. - Proc. SPIE, 2006, v.6189, p.61890.5. Ulmer M.P. Future detectors for space applications. - Proc. SPIE, 2006, v. 6189, p. 61890.

6. Image Intensifiers. Проспект фирмы PHOTONIS - DEP. 2006 г.6. Image Intensifiers. Company prospectus PHOTONIS - DEP. 2006 year

7. Image Intensifiers. Проспект фирмы HAMAMATSU. 2009 г. 7. Image Intensifiers. Prospectus of the company HAMAMATSU. 2009 year

8. http://www.hamamatsu.com/us/en/product/category/3100/300l/R 7639/index.html Image Intensifiers. Проспект фирмы HAMAMATSU. 2009 г. Photon is ous business.8.Http: //www.hamamatsu.com/us/en/product/category/3100/300l/R 7639 / index.html Image Intensifiers. Prospectus of the company HAMAMATSU. 2009 Photon is ous business.

Claims

A photomultiplier tube, which is a hybrid assembly of a multi-element device consisting of an input optical window, a diamond photocathode, dynodes and anode, characterized in that the film of a multisaline alkaline photocathode of nanosized thickness is located on the output surface of the optical window, the surface of the diamond photocathode is nano (micro) structured and weakly doped with acceptors , the surface of the nano (micro) dynodes is structured and covered with a diamond film weakly doped with acceptors.