CC BY
44
УДК 621.383.8
АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ЗАРЯДКИ СТЕНОК КАНАЛОВ В МИКРОКАНАЛЬНЫХ ПЛАСТИНАХ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАВИНЫ
© 2007 г. Е.Н. Козырев, И.Н. Гончаров, В.А. Маркина
Deskribing some results modelling behaviour of electrons in electrical field condition in channel of microchannel plates (MCP). MCP use in night vision devices and contact less photo electric pick-ups of control insulator on high-voltage power line. Influence of di-namical characteristic of electronic impulse to amplifier propertys of MCP analyzing.
Микроканальные пластины (МКП) - стеклянные вакуумные многоканальные детекторы и усилители пространственно-распределенных потоков заряженных частиц и излучений широко применяются в различных областях науки и техники. Степень усиления и адекватность передачи ими сигналов во многом определяются вторичноэмиссионными свойствами отдельных каналов МКП, в частности их идентичностью. Поэтому по-прежнему актуальной является задача изучения явления прохождения электронного импульса в каналах.
Лавина вторичных электронов, проходящая вдоль канала микроканальной пластины (МКП), приводит к появлению электрического заряда на его эмиссионной поверхности, т.е. на стенках. При этом известно, что распределение величины заряда вдоль канала близко к экспоненциальному. Он максимален в выходной части канала и зависит от степени усиления сигнала, а также его начального значения. Очевидно, что зарядка стенок приводит к искажению однородного ускоряющего поля в канале, что непременно должно сказаться на условиях прохождения электронной лавины. Могут измениться: количество каскадов усиления Ы; время прохождения импульса 4; энергия взаимодействия электронов с эмиссионной поверхностью Е1т. Все это приведет к изменению коэффициентов усиления отдельных ступеней а и всего канала О. При этом очень важно адекватно оценить степень влияния эффектов нелинейности на явление нарастания электронного импульса.
В данной работе задачу исследования степени влияния заряда на процессы усиления в МКП предложено разделить на несколько отдельных этапов и рассматривать их последовательно:
1. Расчет распределения заряда на стенках вдоль оси 2 канала и определение существующих значений возникающих разностей потенциалов и между исходным значением и1, формируемым токами проводимости, протекающими в резистивно-эмиссионном слое (РЭС) канала и и2, образуемым электронной лавиной.
2. Расчет видоизмененного электрического поля канала в соответствии с п. 1.
3. Моделирование траекторий первичных и вторичных электронов при их продвижении в канале.
4. Расчет важнейших энергетических и вторично -эмиссионных характеристик канала в соответствии с п.3.
Подобным образом можно исследовать две известные разновидности режима насыщения канала МКП - зарядового и токового. Зарядовое насыщение связано с искажением поля в канале объемным зарядом электронов в момент прохождения лавины электронов [1]. Токовое насыщение объясняется искажением поля в канале из-за остаточного положительного заряда на поверхности канала, возникающего в результате прохождения лавины электронов. Это искажение не снимается полностью и до прихода следующего входного электрона. Зарядовое насыщение характерно для сколь угодно малого тока, но при максимальных значениях коэффициента усиления МКП М (до 105), что соответствует напряжению питания МКП и=1,5 кВ.
В данной работе будут рассматриваться режимы функционирования микроканальной пластины, характерные для её использования в электронно-оптических преобразователях (М=103 и меньше, и=700-900 В), что соответствует токовому насыщению.
Анализ распределения заряда, формируемого электронной лавиной на стенках МКП, необходимо начать с расчета величины входного электрического сигнала, приходящегося на один канал. Плотность фототока, приходящаяся на 1 см2 МКП в условиях ЭОП, можно рассчитать из следующего выражения: _/вх=фЕ£, где ф - интегральная чувствительность фотокатода ЭОП, мкА/лм; Е - рабочая освещеность, лк; £ -полезная площадь фотокатода, м2
Пусть электронно-оптическое увеличение ЭОП Гэо=1, ф=400 мкА/лм, а освещенность Е принимает несколько значений. Тогда соответствующие величины увх и фототока /вх представлены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние входной освещенности ЭОП на токовые характеристики микроканальной пластины
Освещенность, Е, лк Плотность входного тока МКП, Увх , А/см2 Входной ток, 1вх , А
1x10 -4 4x10 -12 1x10 -11
1x10 -3 4x10 -11 1x10 -10
1x10 -2 4x10 -10 1x10 -9
0,1 4x10 -9 1x10 -8
Примечание. !„=yBxxS, где S - рабочая площадь МКП = 2,5 см2.
Далее определяется фототок, приходящийся на 1 канал МКП Iи, в соответствии с её геометрическими характеристиками, в частности средним шагом структуры каналов (й~11,5 мкм) и прозрачностью МКП (п~0,58). Расчеты показывают, что !1А«3х10~18А.
Количество электронов, попадающих в 1 канал за 1 с, можно определить из выражения N = 11к / е, где е - заряд электрона = 1,6*10-19Кл; 1\к - фототок, приходящийся на 1 канал МКП.
Ы\ для рассматриваемого случая равно 19, тогда средний временной интервал предшествующий поступлению каждого очередного фотоэлектрона в канал, равен /=1/М=52,6 мс.
Из [2] известно, что определяемое параметрами цепи разрядки время существования стеночного заряда приблизительно рано 0,1 - 1 мс; время прохождения электронного импульса по каналу существенно меньше - десятые доли нс. С учетом полученных значений интервалов следования импульса можно отметить, что усиление в канале МКП в рассматриваемом случае происходит в одноэлектронном режиме, т.е. каждый раз входящий в канал заряд равен 1,6*10-19 Кл.
Определим аналогичным образом значения / для различных плотностей фототока, приведенных в табл. 1. Результаты данных расчетов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Влияние входного сигнала МКП на средний временной интервал поступления фотоэлектронов
Плотность Ток на 1 Кол-во электро- Временной
тока JbX, канал нов на 1 канал интервал
А /см2 I1k, А Nb эл/с t, мс
4x10 -12 3,06x10 -18 19 52,6
4x10 -11 3,06x10 -17 190 5,26
4x10 -10 3,06x10 -16 1900 0,526
4x10 -9 3,06x10 -15 19000 0,0526
Из табл. 2 видно, что начиная с входной плотности тока увх=4х10ч° А/см2 МКП переходит во многоэлектронный режим работы, в котором процессы токового насыщения в канале будут проявлять себя более явно.
Далее можно рассчитать величину заряда, передаваемого электронной лавиной определенному участку стенки канала, значения тока электронной лавины, а также прироста потенциала на стенках канала, возникающего в результате взаимодействия электронов с вторично эмиссионной поверхностью. Соответствующие результаты представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчета прироста напряжений для различных режимов работы МКП
Плотность Коэффициент Ток элек- Прирост
входного усиления тронной ла- напряжения
тока /вх, МКП, М вины I, A U, B
А/см2
4x10 -12 9200 2,798x10 -14 +6,34
4x10 -11 5500 1,673x10 -13 +37,9
4x10 -10 830 2,535x10 -13 +58,1
4x10 -9 460 1,389x10 -12 +319,4
Следует отметить, что приведенные в табл. 3 результаты согласуются с аналогичными данными, полученными иным способом в [3]. Указанным в данной работе образом можно смоделировать распределение и по всему каналу МКП.
По ранее приведенному плану, необходимо рассчитать электрическое поле канала, соответствующее новым условиям, и смоделировать поведение электронов в нем. Разработанная нами модель позволяет не только выполнить указанные задачи, но и определить количество каскадов усиления, а также значения энергии старта вторичных электронов Е\т для каждого каскада. Нетрудно рассчитать значения величин а и О, воспользовавшись выражениями: а= А*Е1/21т; О = а!ха2ха3-хая, где А - константа эмиссионного материала = 0,225 [1]; а - коэффициент усиления отдельных ступеней; О - коэффициент усиления всего канала МКП; аьа2... - коэффициенты вторичной электронной эмиссии, соответствующие каждому каскаду усиления.
На рисунке приведены результаты автоматизированного расчета траекторий электронов в канале МКП до (рис. а) и после (рис. б) проявления эффекта зарядки стенок.
а___ _
б
_____—
Траектории электронов в канале МКП: а - без учета
эффекта насыщения; б - с учетом эффекта насыщения
Представленный случай характеризуется следующими исходными данными: диаметр канала МКП 10 мкм; плотность входного тока _/вх = 6*10-11А/см2 Из рисунка видно, что зарядка стенок способствует росту количества каскадов в конечной части канала, однако их умножительная эффективность снижается вследствие радикального уменьшения длины пробега электронов, что отрицательно скажется на общем коэффициенте усиления микроканальной пластины.
Предложенная методика и полученные результаты могут быть полезны разработчикам МКП-продукции, т.е. современных приборов ночного видения.
Литература
1. Шаген П. и др Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений / Под ред. Б. Кейзана. М., 1978, Т. 1. С. 335.
2. Белявский О.А., Минеев В.И., Коробочко Ю.С. // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Общая и ядерная физика». Вып. 43. М., 1988. С. 51-53.
3. Перепелицин В.В., Богомолов И.А. // Тр. СКГТУ. Вып. 2. Владикавказ, 1996. С. 191-195.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт, г. Владикавказ_27 ноября 2006 г.
