RU2738767C1

RU2738767C1 - Vacuum emission receiver for ultraviolet images

Info

Publication number: RU2738767C1
Application number: RU2020122265A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Беспалов; Эдуард Анатольевич Ильичев; Георгий Николаевич Петрухин; Геннадий Сергеевич Рычков; Екатерина Григорьевна Теверовская; Павел Анатольевич Золотухин; Сергей Владимирович Куклев; Александр Владимирович Медведев; Дмитрий Сергеевич Соколов; Наталья Юрьевна Чистякова; Сергей Станиславович Якушов
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2020-12-16

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to the internal amplification optical image receiving receivers. It can be used for registration and amplification of optical images of objects in spectral range 40…270 nm vacuum ultraviolet (VUV), with possibility of subsequent digital conversion of analogue image signal. Device is made in the form of emission receiver of images of architecture of EOC, sensitive in spectral range 40…270 nm. Inlet opening is made from diamond plate saturated with SiV centers from outer side to thickness larger than reciprocal value of absorption coefficient of input radiation at wavelengths of 40…270 nm, and photocathode from materials sensitive in spectral range 730…740 nm is located on rear side of inlet opening.

EFFECT: possibility of recording, conversion and amplification of optical images of passive (reflecting) and active (radiating) objects with minimum dimensions of ~80-90 nm, with threshold sensitivity of (1–3)×10^-11W/(Hz)^0_5 and current sensitivity of 30-40 mA/W.

1 cl, 1 dwg

Description

Данное изобретение относится к приемникам-преобразователям оптических изображений с внутренним усилением. Оно может быть использовано для регистрации и усиления оптических изображений объектов в спектральном диапазоне 40…270 нм вакуумного ультрафиолета (ВУФ), с возможностью последующего цифрового преобразования аналогового сигнала изображений.This invention relates to an internally amplified optical image receiver. It can be used for registration and amplification of optical images of objects in the spectral range of 40 ... 270 nm vacuum ultraviolet (VUV), with the possibility of subsequent digital conversion of an analog image signal.

Аналогами устройств, близких по спектру выполняемых задач, являются вакуумные эмиссионные приемники изображений архитектуры ЭОП (электронно-оптические преобразователи), чувствительные в спектральном диапазоне вакуумного ультрафиолета (180…350 нм). В частности, к аналогу заявляемого эмиссионного приемника изображений можно отнести ЭОП с мультищелочным фотокатодом, дополненный нелинейным специализированным полосовым фильтром и окном специальной конструкции, которые подавляют видимый и инфракрасный диапазоны, и обеспечивают ЭОП чувствительность в спектральном диапазоне 180…350 нм [1].The analogs of devices similar in the spectrum of tasks performed are vacuum emission receivers of images of the IIT architecture (image intensifier tubes), sensitive in the spectral range of vacuum ultraviolet radiation (180 ... 350 nm). In particular, an analogue of the claimed emission image sensor can be attributed to an image intensifier tube with a multi-alkaline photocathode, supplemented by a nonlinear specialized band-pass filter and a window of special design that suppress the visible and infrared ranges, and provide the image intensifier tube with sensitivity in the spectral range of 180 ... 350 nm [1].

К аналогу устройства можно отнести, также, солнечно слепой ВУФ ЭОП (ЭОП чувствительный в спектральном диапазоне вакуумного ультрафиолета) с фотокатодом на основе алмазной пленки и спектральным диапазоном фоточувствительности в 180…270 нм [2]. В состав его конструкции входят пассивное входное окно на основе MgF₂ либо специальных типов кварцевых стекол, фотокатод на основе алмазной пленки, умножитель потока электронов на основе микроканальной пластины (МКП). катодо-люминесцентный экран (КЛЭ) и волоконно-оптическая пластина (ВОП), объединенные единым высокоплотным металлокерамическим корпусом. В таком солнечно-слепом ВУФ ЭОП, изображение спектрального диапазона 180…270 нм, пассивно вводимое в ВУФ ЭОП через входное окно, преобразуется алмазным фотокатодов в изображение в фотоэлектронах.An analogue of the device can also be attributed to a sun-blind VUV image intensifier tube (image intensifier tube sensitive in the spectral range of vacuum ultraviolet radiation) with a photocathode based on a diamond film and a spectral range of photosensitivity of 180 ... 270 nm [2]. Its design includes a passive entrance window based on MgF ₂ or special types of silica glasses, a photocathode based on a diamond film, and an electron flux multiplier based on a microchannel plate (MCP). cathode-luminescent screen (CLE) and fiber-optic plate (FOP), united by a single high-density metal-ceramic body. In such a sun-blind VUV image intensifier tube, the image of the spectral range 180 ... 270 nm, passively introduced into the VUV image intensifier tube through the input window, is converted by the diamond photocathodes into an image in photoelectrons.

Эмиссионные приемники изображений представленные в [1, 2], позволяют регистрировать и преобразовывать ВУФ изображения в указанных спектральных диапазонах при освещенностях в 10^-3…10² люкс с пороговой чувствительностью не хуже 5×10^-11 Вт/(Гц)^0,5.Emission image receivers presented in [1, 2], allow registering and converting VUV images in the specified spectral ranges at illumination in 10 ^-3 ... 10 ² lux with a threshold sensitivity not worse than 5 × 10 ^-11 W / (Hz) ^0.5 .

Существует множество задач требующих мобильного получения изображений объектов с линейными размерами в 90…150 нм в полевых условиях. В этот спектр задач входят задачи, связанные как с мониторингом биологических объектов (вирусология и микробиология), так и с изучением динамики процессов самоорганизации периодических субмикронных структур реализуемых методами нано-инженерии. Выбор метода и устройств для регистрации наноразмерных объектов и, при бесконтактных измерениях, выбор вида и характеристик опорного (либо активирующего) излучения в значительной степени зависит от геометрических размеров объектов, либо от требований предъявляемых к пространственному разрешению. Объекты размерами менее 250 нм изучаются, как правило, с использованием методов электронной микроскопии (РЭМ, ПЭМ) либо методов сканирующей зондовой микроскопии (ACM, СТМ). Реализация этих методов может быть организована только в стационарных условиях, является финансово- (и энерго-) затратной, и требует специализированной высокотехнологичной подготовки изучаемых образцов к измерениям, что вносит ряд серьезных ограничений, например, при изучении биологических объектов, и исключает возможность изучения динамики их поведения. При этом, следует иметь в виде, что в электронной микроскопии диагностируется не сам объект а его реплика, полученная посредством декорирования морфологии и топологии объекта нанометровым слоем тяжелых металлов (как правило, золота), нанесенным под острым углом на подложку с диагностируемыми объектами.There are many tasks requiring mobile acquisition of images of objects with linear dimensions of 90 ... 150 nm in the field. This range of tasks includes tasks related to both monitoring biological objects (virology and microbiology) and studying the dynamics of self-organization processes of periodic submicron structures implemented by nano-engineering methods. The choice of the method and devices for registering nanoscale objects and, in non-contact measurements, the choice of the type and characteristics of the reference (or activating) radiation largely depends on the geometric dimensions of the objects, or on the requirements for spatial resolution. Objects less than 250 nm in size are usually studied using electron microscopy (SEM, TEM) or scanning probe microscopy (ACM, STM). The implementation of these methods can be organized only under stationary conditions, is financially (and energy-) expensive, and requires specialized high-tech preparation of the studied samples for measurements, which introduces a number of serious limitations, for example, when studying biological objects, and excludes the possibility of studying their dynamics. behavior. At the same time, it should be taken in the form that in electron microscopy it is not the object itself that is diagnosed, but its replica obtained by decorating the morphology and topology of the object with a nanometer layer of heavy metals (usually gold), deposited at an acute angle on a substrate with diagnosed objects.

Для мобильного решения задач по диагностике объектов с размерным масштабом в 90…150 нм, необходима разработка переносных малогабаритных энергетически малозатратных приемников изображений, позволяющих получать объекты с линейными размерами в указанном диапазоне.For the mobile solution of problems of diagnostics of objects with a dimensional scale of 90 ... 150 nm, it is necessary to develop portable small-sized energetically low-cost image receivers that allow obtaining objects with linear dimensions in the specified range.

Близким по конструкции к заявляемому приемнику изображений является солнечно-слепой ВУФ ЭОП с фотокатодом на основе теллурида цезия (Te₂Cs, спектральный диапазон 180-320 нм), с квантовой эффективностью ~ 10% при максимуме в диапазоне длин волн ~ 300 нм[3].Close in design to the claimed image receiver is a solar-blind VUV image intensifier with a photocathode based on cesium telluride (Te ₂ Cs, spectral range 180-320 nm), with a quantum efficiency of ~ 10% at a maximum in the wavelength range of ~ 300 nm [3] ...

Прототипом заявляемому устройству выбран вакуумный эмиссионный приемник УФ изображений ЭОП архитектуры близкий по спектральному диапазону чувствительности и по конструкции [4]. Он представляет вакуумно-плотный корпус объединяющий совокупность последовательно расположенных базовых элементов, таких как: входное окно (ВО) через которое осуществляется пассивный ввод изображения ВУФ спектрального диапазон; нанометровой толщины слоя Cs-Sb расположенного на тыльной стороне входного окна, обеспечивающего эмиссию цезия в процессе облучения входного окна потоков фотонов регистрируемого изображения; фотокатода (ФК) на основе поликристаллической алмазной пленки расположенной на прозрачной для ВУФ излучения подложке (например, на сапфире), обеспечивающего пропорциональное преобразование оптического изображения ВУФ диапазона в изображение в фотоэлектронах/ ускоряющий промежуток и микроканальная пластина (МКП), обеспечивающая умножение изображения в ускоренных фотоэлектронах посредством преобразования их энергии и числа во вторичные электроны; ускоряющий промежуток потока вторичных электронов и катодолюминесцентный экран (КЛЭ), обеспечивающий пропорциональное преобразование картины изображений в ускоренных вторичных электронах в оптическое изображение видимой части спектрального диапазона; волоконно-оптическая пластина (ВОП), передающая оптическое изображение с КЛЭ на регистрирующее устройство с наименьшими энергетическими потерями и минимальными пространственными искажениями изображения объекта. Ввод оптического изображения в такой ВУФ ЭОП осуществляется через пассивное входное окно, которое изготавливают из специальных сортов кварцевых стекол либо на основе фтористого магния (MgF₂). Оптические характеристики пропускания таких входных окон обеспечивают приемлемую для практических применений прозрачность в ВУФ диапазоне с коротковолновой границей в 170…180 нм. Спектральный рабочий диапазон устройства прототипа определяется диапазоном прозрачности входного окна (свыше 170…180 нм) и прозрачности подложки фотокатода (в рабочем диапазоне 180…450 нм). Квантовая эффективность (η) алмазного фотокатода не превышает 12…15% (при максимуме в районе 250 нм) и, в случае нахождения на тыльной стороне входного окна ЭОП слоя Cs-Sb эмитирующего атомы Cs, увеличивается до 25% при одновременном расширении области чувствительности до 380…400 нм (при максимуме η вблизи 350 нм), что находится уже вне области вакуумного ультрафиолета.The prototype of the claimed device is a vacuum emission receiver for UV images of an image intensifier tube architecture close in spectral range of sensitivity and design [4]. It represents a vacuum-tight body that combines a set of sequentially located basic elements, such as: an input window (VO) through which passive image input of the VUV spectral range is carried out; nanometer thickness of the Cs-Sb layer located on the rear side of the entrance window, providing emission of cesium in the process of irradiation of the entrance window of photon fluxes of the recorded image; a photocathode (PC) based on a polycrystalline diamond film located on a substrate transparent for VUV radiation (for example, sapphire), which provides proportional conversion of the optical image of the VUV range into an image in photoelectrons / accelerating gap and a microchannel plate (MCP) that provides image multiplication in accelerated photoelectrons by converting their energy and number into secondary electrons; an accelerating gap of the secondary electron flux and a cathodoluminescent screen (CLE), which provides a proportional transformation of the image pattern in accelerated secondary electrons into an optical image of the visible part of the spectral range; a fiber-optic plate (FOP) that transmits an optical image from a CLE to a recording device with the lowest energy losses and minimal spatial distortions of the object image. The input of an optical image into such a VUV image intensifier is carried out through a passive entrance window, which is made of special grades of quartz glass or based on magnesium fluoride (MgF ₂ ). The optical transmission characteristics of such input windows provide transparency in the VUV range with a short-wavelength cutoff of 170… 180 nm, acceptable for practical applications. The spectral operating range of the prototype device is determined by the transparency range of the input window (over 170 ... 180 nm) and the transparency of the photocathode substrate (in the operating range of 180 ... 450 nm). The quantum efficiency (η) of a diamond photocathode does not exceed 12 ... 15% (with a maximum in the region of 250 nm) and, in the case of a Cs-Sb layer emitting Cs atoms on the back side of the input window of the image intensifier tube, it increases to 25% with a simultaneous expansion of the sensitivity region to 380 ... 400 nm (with a maximum of η near 350 nm), which is already outside the vacuum ultraviolet region.

В то же время для возможности бесконтактной оптической диагностике субмикронных (либо наноразмерных) объектов необходимым является выполнение условия l>2⋅λ (где l - линейный размер объекта, λ - длина волны, в спектре которой регистрируется изображение объекта). Поэтому для возможности исследований вакуумными эмиссионными приемниками изображений наноразмерных и субмикронных объектов с размерами в ~ 90-150 нм, либо объектов излучающих в спектральном диапазоне 90…150 нм необходимо решить проблему эффективного ввода в ЭОП изображений в излучениях спектрального диапазона 40…200 нм. Ограничение "снизу" по спектральному диапазону чувствительности ЭОП (коротковолновая граница спектрального диапазона) определяется коэффициентом прозрачности входного окна ЭОП. Существует фундаментальная проблема эффективного ввода через входные окна в вакуумно-плотные объемы излучений короче 180 нм, связанная с отсутствием материалов прозрачных в спектральном диапазоне 40…170 нм, выдерживающих перепады давлений между внутренним объемом вакуумного эмиссионного приемника изображений (10^-9 мм рт.ст.) и внешней средой (~ 700…760 мм рт.ст.). По физическим ограничениям прочное аморфное, поликристаллическое либо монокристаллическое вещество не поглощающее энергию излучений спектрального диапазона ~ 40-150 нм должно иметь ширину запрещенной зоны ~ 27…8 эВ, в то время как материалы, используемые в качестве входных окон вакуумных эмиссионных приемников ВУФ диапазона и удовлетворяющие требованиям по указанному перепаду давлений (MgF₂, кварц, нитрид галлия, алмаз), обеспечивают удовлетворительную прозрачность при вводе излучений в ЭОП только до коротковолновой границы в 180 нм соответствующей энергии квантов излучения в 5…6 эВ (MgF₂ - 180 нм, кварц - 190 нм, нитрид алюминия - 250 нм (структура сфалерита), 200 нм (структура вюрцита), алмаз монокристаллический-227 нм, алмаз поликристаллический-270 нм). Все это делает невозможным использования ВУФ ЭОП для регистрации объектов с линейными размерами 90…150 нм.At the same time, for the possibility of contactless optical diagnostics of submicron (or nanoscale) objects, it is necessary to fulfill the condition l> 2⋅λ (where l is the linear size of the object, λ is the wavelength in the spectrum of which the image of the object is recorded). Therefore, in order to be able to study images of nanoscale and submicron objects with sizes of ~ 90-150 nm, or objects emitting in the spectral range of 90 ... 150 nm, using vacuum emission detectors, it is necessary to solve the problem of efficiently inputting images in the image intensifier in the spectral range of 40 ... 200 nm. The "bottom" limitation in the spectral range of the image intensifier's sensitivity (short-wavelength limit of the spectral range) is determined by the transparency coefficient of the image intensifier tube's input window. There is a fundamental problem of efficient input through the entrance windows into vacuum-dense volumes of radiation shorter than 180 nm, associated with the absence of transparent materials in the spectral range of 40 ... 170 nm, withstanding pressure drops between the internal volume of the vacuum emission image detector (10 ^-9 mm Hg. ) and the external environment (~ 700 ... 760 mm Hg). According to physical limitations, a strong amorphous, polycrystalline or single-crystal substance that does not absorb the energy of radiation in the spectral range of ~ 40-150 nm should have a band gap of ~ 27 ... 8 eV, while the materials used as input windows of vacuum emission receivers of the VUV range and satisfying requirements for the specified pressure difference (MgF ₂ , quartz, gallium nitride, diamond), provide satisfactory transparency when radiation is input into the image intensifier tube only up to the short-wavelength boundary of 180 nm, the corresponding radiation quantum energy of 5 ... 6 eV (MgF ₂ - 180 nm, quartz - 190 nm, aluminum nitride - 250 nm (sphalerite structure), 200 nm (wurtzite structure), single crystal diamond - 227 nm, polycrystalline diamond - 270 nm). All this makes it impossible to use VUV image intensifier tubes to register objects with linear dimensions 90 ... 150 nm.

Задачей заявляемого устройства является регистрация объектов с минимальными размерами в 90…150 нм. Нами предлагается конструкция, которая позволяет информацию об объекте в форме картины изображения в излучениях спектрального диапазона 40…150 нм, пропорционально преобразовать в объеме входного окна в картину изображений в излучениях на длине волны соответствующей сенсорным слоям фотокатодов с высокой квантовой эффективностью, в 738 (±5) нм. В частности, нами предлагается конструкция, в которой вместо пассивных к вводимому излучению материалов входного окна ЭОП используется алмазная пластину, на внешней стороне (по отношению к приемнику) которой сформирован алмазный слой, содержащий SiV центры, толщина которого больше обратной величины коэффициента поглощений для длинноволновой границы рабочего диапазона, которые эффективно с коэффициентом преобразования в ~ 10…15% преобразуют излучения ВУФ диапазона 40…270 нм в излучение на длине волны в 738 нм (±10 нм).The task of the claimed device is to register objects with a minimum size of 90 ... 150 nm. We propose a design that allows information about an object in the form of an image pattern in radiation in the spectral range of 40 ... 150 nm to be proportionally transformed in the volume of the input window into an image pattern in radiation at a wavelength corresponding to the sensor layers of photocathodes with high quantum efficiency, in 738 (± 5 ) nm. In particular, we propose a design in which instead of materials passive to the input radiation of the input window of the image intensifier tube, a diamond plate is used, on the outer side (in relation to the receiver) of which a diamond layer is formed containing SiV centers, the thickness of which is greater than the reciprocal of the absorption coefficient for the long-wavelength boundary operating range, which effectively with a conversion factor of ~ 10 ... 15% convert the radiation of the VUV range of 40 ... 270 nm into radiation at a wavelength of 738 nm (± 10 nm).

Таким образом, конструкция заявляемого устройства представит совокупность последовательно расположенных входного окна, фотокатода, умножителя потока электронов, катодолюминесцентного экрана, системы электродов и волоконно-оптической пластины, объединенных вакуумно-плотным корпусом, отличающееся тем, что входное окно выполнено из алмазной пластины насыщенной SiV центрами с внешней стороны до толщин больших обратной величины коэффициента поглощения входного излучения на длинах волн в 40…270 нм, а фотокатод из материалов чувствительных в спектральном диапазоне 730…740 нм расположен на тыльной стороне входного окна.Thus, the design of the claimed device will represent a set of sequentially located input window, photocathode, electron flow multiplier, cathodoluminescent screen, electrode system and fiber-optic plate, united by a vacuum-tight body, characterized in that the input window is made of a diamond plate saturated with SiV centers with the outer side to thicknesses greater than the reciprocal of the absorption coefficient of the input radiation at wavelengths of 40 ... 270 nm, and a photocathode made of materials sensitive in the spectral range of 730 ... 740 nm is located on the rear side of the entrance window.

В заявляемой конструкции, существующая концепция выбора входного окна с наибольшей прозрачностью для рабочего спектрального диапазона, сменяется концепцией выбора активного входного окна, вещество которого (расположенное до толщин обратных величинам коэффициента поглощения) выполняет роль твердотельного пропорционального оптического преобразователя изображений ВУФ спектрального диапазона (40…270 нм) в изображения на длине волны в 738 нм (соответствующей прямым рекомбинационным переходам в SiV центрах), для которого объем алмазной пластины входного окна является прозрачным.In the proposed design, the existing concept of choosing an input window with the highest transparency for the working spectral range is replaced by the concept of choosing an active input window, the substance of which (located to the thicknesses reciprocal to the absorption coefficient) plays the role of a solid-state proportional optical image converter of the VUV spectral range (40 ... 270 nm ) into images at a wavelength of 738 nm (corresponding to direct recombination transitions in SiV centers), for which the volume of the diamond plate of the entrance window is transparent.

Так как эффективная генерация неравновесных носителей в чистых (не люминесцирующих, и не содержащих примесь азота) кристаллах алмаза реализуется в спектральном диапазоне 40…270 нм, с локальными максимами коэффициента преобразования вблизи 220 нм (~ 70%) и 90 нм (с 3-кратным ослаблением фотосигнала), то в обсуждаемом спектральном диапазоне изображения объекта в отраженном (опорном) либо излучаемом (активном) световых потоках, следует ожидать возможность визуализации в "ближнем поле" малоразмерных объектов с минимальными геометрическими размерами вплоть до 90 нм (l>2⋅λ).Since the efficient generation of nonequilibrium carriers in pure (non-luminescent and nitrogen-free) diamond crystals is realized in the spectral range of 40 ... 270 nm, with local maxima of the conversion coefficient near 220 nm (~ 70%) and 90 nm (with a 3-fold by attenuation of the photo signal), then in the discussed spectral range of the object image in the reflected (reference) or emitted (active) light flux, one should expect the possibility of visualization in the "near field" of small objects with minimal geometric dimensions up to 90 nm (l> 2⋅λ) ...

Заявляемое устройство, регистрирующее изображения активных (излучающих в ВУФ диапазоне) либо пассивных (в отраженном ВУФ излучении) объектов, представлено на фиг. 1 и содержит следующие функциональные элементы:The claimed device, which records images of active (emitting in the VUV range) or passive (in reflected VUV radiation) objects, is shown in Fig. 1 and contains the following functional elements:

1 - вакуумно-плотный металло-керамический корпус,1 - vacuum-tight metal-ceramic body,

2 - входное окно, выполненное на основе алмазной пластины насыщенной с внешней стороны SiV центрами, как минимум, до толщин - α^-1 (α - коэффициент поглощения света в рабочем спектральном диапазоне),2 - entrance window, made on the basis of a diamond plate saturated with SiV centers on the outside, at least up to thicknesses - α ^-1 (α is the light absorption coefficient in the working spectral range),

3 - фотокатод чувствительный в спектральном диапазоне ~ 730-740 нм и сформированный на тыльной стороне пластины алмазного входного окна,3 - photocathode sensitive in the spectral range of ~ 730-740 nm and formed on the back side of the plate of the diamond entrance window,

4 - микроканальная пластина (МКП),4 - microchannel plate (MCP),

5 - катодолюминесцентный экран (КЛЭ),5 - cathodoluminescent screen (CLE),

6 - волоконно-оптическое стекло (ВОС),6 - fiber optic glass (FOC),

7 - электроды к перечисленным элементам (не изображены на рисунке).7 - electrodes to the listed elements (not shown in the figure).

Работа заявляемого устройства, представленного на фиг. 1, осуществляется следующим образом. Изображение объекта, проецируемое на (2) входное окно (например, проекционной системой работающей в режиме "на отражение"), поглощается в объеме материала входного окна (алмазная пластина с SiV центрами), и пропорционально освещенности генерирует в плоскости алмазной пластины неравновесные электроны и дырки. Последние, захватываясь SiV центрами, излучательно рекомбинируют с рождением квантов света длинной волны ~ 738 нм и их числом пропорциональным интенсивности распределения входного ВУФ изображения в плоскости входного окна ЭОП. Результат взаимодействий - прямое пропорциональное спектральное преобразование ВУФ картины изображений в оптическое изображение на длине волны в 738 нм. Полученное изображение объекта на длине волны 738 нм попадает на фотокатод (3) осажденный на тыльной стороне входного окна (2), имеющий высокую квантовую эффективность с максимум чувствительности в диапазоне 730…740 нм, которым пропорционально преобразуется в двумерное изображение в фотоэлектронах. Фотоэлектроны двумерного изображения ускоряются полем, их энергия и число пропорционально преобразуются МКП пластиной (4) во вторичные электроны, затем вторичные электроны картины изображения ускоряются полем в каналах МКП, испытывая вторичные умножения их числа выходят из каналов МКП, ускоряются и направляются на КЛЭ (5), преобразующий усиленную картину изображений во вторичных электронах в оптическое изображение в видимой части диапазона, выводимое из ВУФ ЭОП через (6) ВОП (спектральный диапазон выходного изображения соответствует спектру катодолюминесценции вещества КЛЭ).The operation of the inventive device shown in FIG. 1 is carried out as follows. The object image projected onto (2) the input window (for example, by a projection system operating in the "reflection" mode) is absorbed in the volume of the input window material (diamond plate with SiV centers), and proportionally to the illumination generates nonequilibrium electrons and holes in the plane of the diamond plate ... The latter, being captured by SiV centers, radiatively recombine with the production of light quanta with a wavelength of ~ 738 nm and their number proportional to the intensity of the distribution of the input VUV image in the plane of the input window of the image intensifier. The result of interactions is a direct proportional spectral transformation of the VUV image pattern into an optical image at a wavelength of 738 nm. The resulting image of an object at a wavelength of 738 nm falls on a photocathode (3) deposited on the rear side of the entrance window (2), which has a high quantum efficiency with a maximum sensitivity in the range of 730 ... 740 nm, which is proportionally converted into a two-dimensional image in photoelectrons. Photoelectrons of a two-dimensional image are accelerated by the field, their energy and number are proportionally converted by the MCP plate (4) into secondary electrons, then the secondary electrons of the image pattern are accelerated by the field in the MCP channels, experiencing secondary multiplication of their number, leave the MCP channels, are accelerated and directed to the CLE (5) , converting the enhanced picture of images in secondary electrons into an optical image in the visible part of the range, output from the VUV image intensifier through (6) the VOP (the spectral range of the output image corresponds to the cathodoluminescence spectrum of the CLE substance).

В заявляемой конструкции появляется возможность вместо ВУФ фотокатодов на основе алмаза, либо KBr, или Te₂Cs, имеющих малую квантовую эффективность в ВУФ диапазоне (7…12%), использовать фотокатоды чувствительные в диапазоне 730-740 нм с квантовая эффективность большей в ~ 5 раз (~ 50…60%, например, для указанной спектральной области ФК на основе высокочистого арсенида галлия).In the proposed design, it becomes possible, instead of VUV photocathodes based on diamond, or KBr, or Te ₂ Cs, which have a low quantum efficiency in the VUV range (7 ... 12%), to use photocathodes sensitive in the range of 730-740 nm with a quantum efficiency greater in ~ 5 times (~ 50 ... 60%, for example, for the indicated spectral region of the PC based on high-purity gallium arsenide).

Учитывая, что ожидаемая квантовая эффективность прямого оптического преобразования ВУФ картины изображений в изображение на длине волны 738 нм пластиной синтетического алмаза при концентрации SiV центров на уровне 5×10¹⁹ достигает ~ 10…15%, а замена алмазного ВУФ ФК с квантовой эффективностью ~ 10…15% на GaAs ФК с квантовой эффективностью в 50%, то в заявляемом устройстве с учетом последующего усиления в МКП (до 1000…10000 раз) удается сохранить коэффициент преобразования и пороговую чувствительность свойственные прототипу, уменьшив при этом, более чем в пять раз, физические ограничения на минимальные размеры регистрируемых изображений объектов наноразмерной либо субмикронной шкалы (вплоть до 80…90 нм).Considering that the expected quantum efficiency of direct optical conversion of the VUV image pattern into an image at a wavelength of 738 nm by a synthetic diamond plate at a SiV center concentration of 5 × 10 ¹⁹ reaches ~ 10 ... 15%, and the replacement of a diamond VUV PC with a quantum efficiency of ~ 10 ... 15% for GaAs PCs with a quantum efficiency of 50%, then in the claimed device, taking into account the subsequent amplification in the MCP (up to 1000 ... 10000 times), it is possible to maintain the conversion coefficient and threshold sensitivity inherent in the prototype, while reducing, more than five times, the physical restrictions on the minimum size of the registered images of objects on a nanoscale or submicron scale (up to 80 ... 90 nm).

Так как минимальные размеры визуализируемых заявляемым приемником объектов составляют величину ~ 90 нм, а размеры кристаллов вещества КЛЭ и ячеек матричных фотоприемников (пикселов ПЗС, например), составляют ~ Δ≈1 мкм то, перед вводом изображения во входное окно ВУФ ЭОП, необходимо обеспечить проекционной системой его увеличение (например, в режиме "на отражение") в

Заметим, используем условие что минимальное разрешение микроструктуры объекта (в 1 пиксел), реализуемое увеличение должно обеспечивать проекцию 1 пиксела объекта на фотоприемную площадь ПЗС размером как минимум в 3×3 пиксела, т.е. в (3⋅Δ)² мкм². Так как, объект площадью в S_o=80×80 нм² с указанным увеличением (30×50 раз) проецируется на приемную площадь в S_ф ≈ 3×3 мкм³ ≈ 8×10⁷ нм² (массив в 3×3 пиксела), то для компенсации потери в освещенности необходимо обеспечить непосредственно в ВУФ ЭОП (в МКП) усиление по свету в ~ 10⁴ раз. Это позволяют выполнять современные МКП.Since the minimum dimensions of the objects visualized by the claimed receiver are ~ 90 nm, and the dimensions of the crystals of the CLE substance and the cells of the matrix photodetectors (CCD pixels, for example) are ~ Δ≈1 μm, then before entering the image into the input window of the VUV image intensifier, it is necessary to provide a projection system to increase it (for example, in the "reflection" mode) in

Note that we use the condition that the minimum resolution of the microstructure of the object (in 1 pixel), the implemented magnification must ensure the projection of 1 pixel of the object onto the CCD photo-receiving area of at least 3 × 3 pixels, i.e. in (3⋅Δ) ² μm ² . Since an object with an area of S _o = 80 × 80 nm ² with a specified magnification (30 × 50 times) is projected onto the receiving area in S _f ≈ 3 × 3 μm ³ ≈ 8 × 10 ⁷ nm ² (an array of 3 × 3 pixels ), then to compensate for losses in the illumination necessary to provide directly in the VUV EOF (in PCR) amplification of light at ~ 10 ^4. This is possible with modern MCPs.

Таким образом, требования по освещенности и пространственному разрешению в рамках возможностей существующих базовых конструкций МКП и люминофоров для ЭОП реализуются, с диапазоном по входной освещенности в ~ 5×10^-4…10² люкс, с пороговой чувствительностью не хуже (1…3)×10^-11 Вт/(Гц)^0,5, при спектральной чувствительности в 30…40 мА/Вт.Thus, the requirements for illumination and spatial resolution within the capabilities of the existing basic designs of MCP and phosphors for the image intensifier are implemented, with a range of input illumination of ~ 5 × 10 ^-4 ... 10 ² lux, with a threshold sensitivity no worse than (1 ... 3) × 10 ^-11 W / (Hz) ^0.5 , with a spectral sensitivity of 30 ... 40 mA / W.

Заявляемое устройство может быть эффективно использовано в вирусологии (например, наблюдения ближнепольных изображений при мониторинге образцов тканей, крови слизи на предмет обнаружения короновирусов, - их линейные размеры 120…200 нм, либо при регистрации картин спинодальных распадов твердых растворов).The inventive device can be effectively used in virology (for example, observation of near-field images when monitoring tissue samples, blood, mucus for the detection of coronaviruses, - their linear dimensions are 120 ... 200 nm, or when registering patterns of spinodal decays of solid solutions).

При регистрации заявляемым устройством (ВУФ ЭОП с активным входным окном) вдали расположенных объектов, излучающих либо отражающих в спектральном диапазоне 40…270 нм, в условиях наличия фонового излучения (при дневном освещении, либо фоновом освещении в рассеянном свете ночного неба) следует использовать ВУФ ЭОП в комплексе с нелинейным полосовым фильтром, расположенным на входе ВУФ ЭОП, и подавляющим излучения фонового (видимого и ИК) диапазонов.When registering with the claimed device (VUV image intensifier tube with an active entrance window) located far away objects emitting or reflecting in the spectral range 40 ... 270 nm, in the presence of background radiation (in daylight or background illumination in the scattered light of the night sky), the VUV image intensifier tube should be used in combination with a nonlinear band-pass filter located at the input of the VUV image intensifier, and suppressing background radiation (visible and IR) ranges.

Аналоговое изображение объектов выводимое из ВУФ ЭОП через ВОП может регистрироваться визуально, либо аналоговая информация может быть преобразована в цифровую, посредством использования дополнительного (расположенного на выходе ВОП) каскада регистрации в виде ПЗС фотоприемника (например, цифрового ЭОП) с диапазоном пороговой чувствительности не хуже ~ 0,05…0,1 люкс, что при стандартных коэффициентах умножения потоков электронов МКП в 1000…10000 раз позволит и в цифровом варианте детектировать сигналы с освещенностью, начиная с 5×10^-4 люкс. Однако следует при этом ожидать увеличения потребляемой устройством мощности до ~ 0,1 Вт.The analog image of objects output from the VUV image intensifier tube through the VOP can be registered visually, or the analog information can be converted into digital, by using an additional (located at the VOP output) registration cascade in the form of a CCD photodetector (for example, a digital image intensifier tube) with a threshold sensitivity range not worse than ~ 0.05 ... 0.1 lux, which at the standard multiplication factors of electron fluxes MCP 1000 ... 10000 times will allow the digital version to detect signals with illumination starting from 5 × 10 ^-4 lux. However, one should expect an increase in the power consumption of the device to ~ 0.1 W.

Источники информацииInformation sources

[1]. Артюков И. Детекторы ультрафиолетового излучения. //Фотоника, выпуск 5/2008, с. 33.[one]. Artyukov I. Ultraviolet radiation detectors. // Photonics, issue 5/2008, p. 33.

[2]. V.A. Bespalov, V.M. Glazov, Е.А. l'ichev, et. al. «Desing and Invetigation of UV Image Detectors». // TECHNICAL PHYSICS Volume: 60 Issue: 4 Pages: 553-560 DOI: 10.1134/S1063784215040076 Published: APR 2015.[2]. V.A. Bespalov, V.M. Glazov, E.A. l'ichev, et. al. "Desing and Invetigation of UV Image Detectors". // TECHNICAL PHYSICS Volume: 60 Issue: 4 Pages: 553-560 DOI: 10.1134 / S1063784215040076 Published: APR 2015.

[3]. Johnson C.B. Review of ultraviolet detector technology. - Proc. SPIE, 1990, v. 1243, p. 2 [4]. Патент РФ. RU 2593648 C1. Комбинированный электронно-оптический преобразователь. Приоритет от 06.07.2015. Опубликован 10.08.2016 (бюллетень №22).[3]. Johnson C.B. Review of ultraviolet detector technology. - Proc. SPIE, 1990, v. 1243, p. 2 [4]. RF patent. RU 2593648 C1. Combined electro-optical converter. Priority from 06.07.2015. Published on August 10, 2016 (bulletin No. 22).

Claims

Vacuum emission receiver for ultraviolet images, representing a set of sequentially located input window, photocathode, electron flux multiplier, cathodoluminescent screen and fiber-optic plate, united by a vacuum-tight body, characterized in that the input window is made of a diamond plate saturated with SiV centers up to thicknesses , large inverse values of the absorption coefficient of the input radiation at wavelengths of 40 ... 270 nm, and a photocathode made of materials sensitive in the spectral range of 730 ... 740 nm is located on the rear side of the input window.