CC BY
45
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
УДК 621. 383. 8
И. Н. Гончаров, Е. Н. Козырев, Р. О. Аскеров
ИССЛЕДОВАНИЕ ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННОЙ СПОСОБНОСТИ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ НА ПОРИСТЫХ АНОДИРОВАННЫХ СТРУКТУРАХ
Рассматриваются особенности и результаты компьютерного моделирования процессов усиления вторично-эмиссионных каналов, диаметром не более 1мкм, в пористых структурах оксида алюминия.
Ключевые слова: вторичная электронная эмиссия, электронные умножители, оксид алюминия.
Вторично-эмиссионные (ВЭ) многоканальные умножители находят широкое применение в электронно-оптических преобразователях (ЭОП) 2-го и 3-го поколений, используемых в приборах ночного видения. В данных изделиях в качестве ВЭ-усилителей пространственно-распределенных потоков фотоэлектронов применяются микроканальные пластины (МКП).
Конструкция МКП (рис. 1) представляет собой диск из свинцово-силикатного стекла, состоящий из спеченного множества (700—1000 шт.) идентичных микроканальных ячеек, каждая из которых, в свою очередь, содержит до 5000—6000 регулярно уложенных и спеченных идентичных миниатюрных трубчатых каналов диаметром от 5 до 10 мкм в зависимости от разновидности МКП. При приложении напряжения к металлизированным торцам пластины в процессе ее эксплуатации по стенкам каждого из каналов течет ток проводимости, создающий в них однородное электрическое поле с линейно возрастающим потенциалом. Таким образом, все каналы преобразуются в идентичные вторично-эмиссионные усилители.
Микроканальные пластины имеют, в силу сложности конструкции, многоступенчатую технологию производства [1]. Данная технология достаточно отработана, однако столь сложна, что процент выхода годных МКП по-прежнему весьма низок и носит вероятностный характер. Указанные факторы сказываются на себестоимости продукции (в среднем достигающей 100 долл. за образец). Очевидно, что поиск альтернативных менее сложных конструкций многоканальных вторично-электронных умножителей является актуальной проблемой.
Современные, хотя и недостаточно распространенные, аналоги — МКП из монокристаллического полупроводникового кремния, созданные на основе технологических процессов микроэлектроники и химии [2]. Данные пластины отличаются повышенным коэффициентом прозрачности, достигающим 0,9, поскольку микроканалы в них имеют квадратное сечение, по площади соизмеримое с сечениями круглых каналов стеклянных пластин. В техно-
Рис. 1
логии изготовления данных siО2/si-МКП используются операции, отработанные при производстве полупроводников, в частности маскирующая фотолитография, при этом структура МКП формируется не из множества соединенных отдельных каналов, а из единой исходной заготовки, что способствует некоторому снижению себестоимости готовых изделий.
В последнее время в качестве альтернативы МКП рассматривается возможность изготовления многоканальных электронных умножителей на пористых структурах оксида алюминия, выращенных посредством электролитического анодирования. Фотоизображение сечения данной структуры, полученное с помощью электронного микроскопа, приведено на рис. 2.
Рис. 2
Пористый анодный оксид алюминия имеет уникальную „собственную" структуру, что обеспечивает возможность формирования пор с диаметром в диапазоне от нанометрового до субмикронного, высокую воспроизводимость геометрических параметров структуры на образцах большой площади, возможность управления геометрическими размерами пор и ячеек пористого оксида путем изменения состава электролита и режимов электрохимической обработки; кроме того, особенностью данной структуры является вертикальное расположение пор на почти одинаковом расстоянии друг от друга.
Исследования показали, что подбор электролита и режима анодирования позволяет получить структуру с диаметром пор до 1 мкм, следовательно, толщина структуры может достигать порядка 40—50 мкм, что позволит обеспечить соответствующее значения отношения 1/й, где I — длина канала, с1 —его диаметр; в многоканальных умножителях 1/й ^40 [1]. Такие многоканальные структуры отличаются, наряду со сравнительно низкой стоимостью, высокой эффективностью (вторично-эмиссионный выход а1203 в 2—2,5 раза выше, чем восстановленного свинцово-силикатного стекла, используемого в МКП, и достигает 5—7 единиц при характерной энергии подлета первичных электронов, составляющей несколько сотен электрон-вольт). Однако резистивные, электрические и геометрические характеристики данных структур, а соответственно и возможность их использования в качестве усилителей ламинарных и пространственно-распределенных электронных потоков требуют дополнительных исследований.
Для оценки эффективности многоканального умножителя, конфигурация и диаметр которого соответствуют пористой структуре а1203, целесообразно провести компьютерное моделирование происходящего в нем ВЭ-процесса. Модель данного процесса состоит из двух
математических описаний: модели распределения электрического поля в канале и модели поведения первичных и вторичных электронов в нем.
Первая из названных математических моделей получена на основе уравнения Пуассона для электрического поля в вакууме:
V2и = , (1)
80
2
где v — дифференциальный оператор Лапласа, форма которого зависит от выбора коорди-
2 3
натной системы, 1/м ; и — потенциал поля, В; р — плотность объемного заряда, Кл/м (суммарный электрический заряд всех электронов в импульсе имеет отрицательный знак).
Поскольку предполагается, что многоканальные умножители не работают в режиме насыщения, то суммарные электрические заряды электронов в канале не должны влиять на распределение электрического поля в нем. Данное поле, с учетом заданных размеров каналов структуры на основе пористого оксида алюминия, характеризуется напряженностью порядка 1-10' В/м,
поэтому правую часть уравнения (1) можно приравнять к нулю. Полученное в ре-
2
зультате уравнение
Лапласа vи = 0 решается с учетом граничных условий (диктуемых, в частности, режимами эксплуатации МКП в составе различных ЭОП), определяющих расчетные значения распределений электрических полей на входе и выходе каналов [3].
Далее необходимо произвести расчет траекторий первичных и вторичных электронов внутри канала. Движение электрона в электрическом поле описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка:
± = у.
йг х'
|=Е<2>
= у .
ж ,
где йх, (у — приращения поперечных координат, м; йг — приращение продольной координаты, м; йг — приращение времени, с; Ух, Уу, Уг — проекции вектора скорости на оси х, у, г соответственно, м/с; Ех, Еу, Ег— рассчитанные напряженности поля в проекции к осям х, у, г, В/м; е = 1,6-10-19 Кл — заряд электрона; т = 9,1-10-31 кг — масса электрона.
При расчете процесса вторичной эмиссии необходимо учитывать следующие начальные условия: угловое распределение вылетающих вторичных электронов — косинусоидальное; энергия вылета и0 электронов соответствует диапазону 1—15 эВ [4].
Коэффициент вторичной эмиссии при каждом взаимодействии электронов со стенкой канала определяется выражением
° = рщ)0'5, (3)
где в — первый параметр вторично-эмиссионной эффективности; и1 — электрический потенциал, определяющий энергию взаимодействия первичного электрона со стенкой канала, В.
Известно [4], что в относительно широкой области ускоряющих напряжений (от 0 до 100 в) выражение (3) является удобной аппроксимацией характеристики а(и1). Энергия вылета вторичных электронов определяется как
и0 =уиь
где у — второй параметр вторично-эмиссионной эффективности [4].
Согласно экспертной оценке при использовании а1203-эмиттера вероятно некоторое снижение требуемого напряжения работы канала, а возможно и отношения 1/й, по сравнению с хорошо изученными конструкциями на основе бю2. При сохранении традиционных значе-
йУх = --Е • " X ~> т
(г
йУу (г " ^у 1 т
(Уг _ - -Е, т
(г
ний данных параметров создаются предпосылки для интенсификации ВЭ-процессов. Очевидно, что это приведет к зарядовому и токовому насыщению усилительной способности канала [5], а следовательно, к аномальным условиям его работы.
Рассмотренные модели распределения электрического поля и поведения электронов были реализованы в виде программных продуктов. Далее был произведен компьютерный расчет коэффициента влияния величины //ё на усилительную способность М канала диаметром 1 мкм при различных ускоряющих напряжениях и, прилагаемых к каналу. При этом были приняты следующие условия:
— диапазон изменения отношения //ё составляет от 1 до 40;
— контактные электроды с запылением металла в глубь канала не рассматриваются;
— взаимодействие первичного электрона со стенкой канала происходит на расстоянии 1—3 мкм от входа;
— энергия данного взаимодействия соответствует реальному значению, характерному для применения плоских ЭОП 2-го поколения, и равна 500 эВ, что приводит к генерации вторичных электронов в соответствии с характерной для А1203 вторично-эмиссионной эффективностью и с учетом пуассоновского распределения;
— используемые при моделировании первый и второй параметры вторично-эмиссионной эффективности соответственно равны Р=0,27 и у=0,05;
— зарядовые явления в канале не учитываются.
Основная задача заключалась в получении зависимостей М(//ё) при разных напряжениях и для ВЭ-каналов пористой структуры а1203. Расчеты показали, что дальнейшее практическое и теоретическое изучение режимов усиления целесообразно проводить при //ё=10...40 и и=100...400 В. В соответствии с этим были построены зависимости М(//ё), характеризующие распределение усилительной способности канала при различных значениях напряжения питания и (рис. 3).
4 3 2 1
0
Рис. 3
Анализ полученных зависимостей, позволяет сделать следующие выводы.
1. Оксид алюминия пригоден для изготовления многоканальных электронных умножителей. Оптимальной конфигурацией канала следует признать вариант, когда //ё«30 и и~300 В. Согласно расчетам значение М в данном случае превышает 10 000, что соответствует усилительной способности каналов традиционных МКП из свинцово-силикатного стекла.
2. Распределение усилительной способности каналов в различных режимах работы имеет характерный для данной величины вид параболы. Распределения гладкие, относительно симметричные, среднеквадратические отклонения величин усиления для каждого из представленных на рис. 3 вариантов значительно меньше соответствующих средних значений М.
3. Наиболее важной проблемой, которая проявится при физических экспериментах с реальными структурами (образцами) после определения технологичного способа оптимизации их резистивных свойств, могут стать повышенные шумовые характеристики пористого оксида алюминия, как вторичного усилителя потоков электронов в пространстве, вследствие
малости диаметра каналов и невысокой прозрачности структуры; поэтому предпочтительными являются низковольтные режимы работы каналов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кулов С. К., Козырев Е. Н., Макаров Е. Н., Алкацева Т. Д., Кесаев С. А. Микроканальные пластины в технике ночного видения. Теория, технология, применение. Владикавказ: Терек, 2002.
2. Пат. 2388109 РФ. Способ получения кремниевой микроканальной мембраны в монолитном обрамлении / Н.
В. Вандышева, С. И. Романов. 2009.
3. Гончаров И. Н. Особенности граничных условий в САПР канальных электронных умножителей // Вестн. Воронеж. гос. техн. ун-та. 2012. Т. 8, № 2. С. 41—45.
4. Гончаров И. Н., Козырев Е. Н., Кцоев К. Ю. Моделирование поведения электронов в канальных умножителях с рельефными стенками // Устойчивое развитие горных территорий. 2012. № 14. С. 135—139.
5. Гончаров И. Н. Моделирование зарядовых явлений в САПР вторично-эмиссионных умножителей // Вестн. Воронеж. гос. техн. ун-та. 2009. Т. 5, № 5. С.148—150.
Сведения об авторах
Игорь Николаевич Гончаров — д-р техн. наук, профессор; Северо-Кавказский горно-металлургический
институт (государственный технологический университет), кафедра электронных приборов, Владикавказ; E-mail: goncharov-scgtu@mail.ru Евгений Николаевич Козырев — д-р техн. наук, профессор; Северо-Кавказский горно-металлургический
институт (государственный технологический университет), кафедра электронных приборов, Владикавказ; E-mail: kozyrev@skgtu.ru Роман Олегович Аскеров — Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный
технологический университет), кафедра электронных приборов, Владикавказ; ассистент; E-mail: asker2005@rambler.ru
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
электронных приборов 09.12.13 г.
