CC BY
7УДК 621.383.8
DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-4-428-432
Оптимизация усилительной способности двухкамерных электронно-оптических преобразователей
И.Н. Гончаров, Е.Н. Козырев, В.В. Урумов
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), г.Владикавказ, Россия
goncharov-scgtu@mail. ru
Рассмотрена проблема повышения коэффициента преобразования двухкамерных электронно-оптических преобразователей, используемых в технике ночного видения. В работе приведены результаты исследования влияния технологии вакуумной обработки обеих камер данных изделий на их усилительную способность. Предложены способы повышения уровня коэффициента преобразования путем изменения температурно-временного режима обработки фотокатода первой камеры прибора и оптимизации процессов напыления хрома на слюдяную подложку катода второй камеры. В ходе исследований использовались инструментальный, экспертный и статистический анализы, неразрушающий и разрушающий технологический контроль. В результате выход годных изделий по уровню коэффициента преобразования повысился на 35 %, прирост среднего значения п составил около 65 %.
Ключевые слова: электронно-оптический преобразователь; прибор ночного видения; коэффициент преобразования; интегральная чувствительность; вакуумная обработка; темпе-ратурно-временной режим; щелочные металлы; слюдяная подложка; напыление металлов; катодолюминесцентный экран; светоотдача
Для цитирования: Гончаров И.Н., Козырев Е.Н., Урумов В.В. Оптимизация усилительной способности двухкамерных электронно-оптических преобразователей // Изв. вузов. Электроника. - 2019. - Т. 24. - № 4. - С. 428-432. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-4-428-432
Increase of Conversion Factor Level in Multi-Camera Electronic Optical Converters
I.N. Goncharov, E.N. Kozyrev, V.V. Urumov
North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University), Vladikavkaz, Russia
goncharov-scgtu@mail.ru
Abstract. The problem of increasing the conversion coefficient of two-chamber electro-optical converters used in the night vision technique has been considered. The results of the study on the influence of the vacuum processing technology for both chambers of the given products on their amplifying ability have been given. The methods have been proposed for increasing the level of conversion by changing the temperature-time mode of processing the photocathode of the first chamber of the device, as well as optimizing the sputtering of chromium on the mica substrate of the cathode of the second chamber. During the research, instrumental, expert and statistical analysis the non-destructive and destructive technological control have been used. As a result, an increase of the yield of products in terms of the conversion rate has become 35 %, an increase of the average value of п has become 65 %.
© И.Н. Гончаров, Е.Н. Козырев, В.В. Урумов, 2019
Keywords: electron-optical converter; night vision device; conversion factor; integrated sensitivity; vacuum processing; temperature-time mode; alkali metals, mica substrate; metal sputtering; cathodoluminescent screen; light output
For citation: Goncharov I.N., Kozyrev E.N., Urumov V.V. Increase of conversion factor level in multi-camera electronic optical converters. Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 4, pp. 428-432. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-4-428-432
Коэффициент преобразования - один из важнейших параметров электронно-оптических преобразователей (ЭОП), используемых в технике ночного видения. Наряду с высокими чувствительностью фотокатода и разрешающей способностью ЭОП, минимальной яркостью темно-вого фона, отсутствием аберраций изображений, формируемых электронными линзами, он обеспечивает оптимальную дальность действия прибора ночного видения в целом.
Цель настоящей работы - повышение уровня коэффициента преобразования п двухкамерного ЭОП.
Коэффициент преобразования п определяется отношением светового потока, излучаемого катодолюминесцентным экраном ЭОП, к соответствующему световому потоку, возбуждающему его фотокатод. Для квазимонохроматического потока квантов, падающих на фотокатод, П определяется соотношением [1]
Л =
eYуэ { lp(X)dk
hc
p(X)dk
где е - заряд электрона; ДА^) - квантовый выход фотокатода ЭОП (определяет отношение числа эмитированных катодом фотоэлектронов к числу квантов длиной волны падающих на фотокатод ЭОП); иа - ускоряющее напряжение между фотокатодом и анодом ЭОП; уэ - энергетический выход экрана; Н - постоянная Планка; с - скорость света; р(А) - спектральная характеристика излучения экрана.
Оптимальное значение п, как правило, составляет от одного до нескольких десятков тысяч. Снижение данного порога радикально сокращает дальность действия построенной на ЭОП техники ночного видения, превышение - осложняет темновую адаптацию глаза при включении изделия [2].
В последнее время в двухкамерных ЭОП, производимых на предприятии, зафиксировано снижение уровня коэффициента преобразования (согласно ТУ п > 16 000). Среднее значение п по результатам статистических наблюдений на 20 % ниже нормы. На рис.1 представлена схема ЭОП.
Уравнение, характеризующее усилительную способность ЭОП и используемое в расчетах коэффициента преобразования, имеет вид
Л =
YU а
Г2
Рис.1. Двухкамерный ЭОП: 1 - колба катодная; 2 - узел анодный; 3 - камера перехода; 4 - стакан экранный
Fig.1. Two-chamber electron-optical converter: 1 -cathode flask; 2 - anode assembly; 3 - transition chamber;
где ф^ - интегральная чувствительность фотокатода, мкА/лм; у - светоотдача экрана, кд/Вт; Гэо - электронно-оптическое увеличение системы.
Для двухкамерного ЭОП проводили отдельный расчет п для каждой из камер и полученные результаты перемножали. В ходе исследования особое внимание уделялось факторам эффективности катодов и люминесцентных экранов обеих камер, а значения Гэо и иэкр конструктивно и технологически фиксировались.
Процедура вакуумной обработки многощелочных фотокатодов ЭОП включает в себя предварительный прогрев и обезгаживание в течение 12 ч при температуре, ступенчато поднимаемой от
л
120 до 360 °С. Далее следует напыление сурьмы и последовательная многочасовая ее проработка в парах металлов К, С8 с варьированием температуры от 160 до 295 °С с контролем проявляющегося фототока [3]. При существующей технологии формирования фотокатодов наблюдаются незначительные отклонения в температурно-временном режиме, обусловленные особенностями обработки и функционирования различного откачного оборудования.
Изготавливаемые изделия имели требуемые согласно ТУ значения интегральной чувствительности фотокатода 1 (ф ~ 250 мкА/лм), высокую эффективность фотокатода 2 при его оптическом возбуждении на отражение через окошко в камере 1. Исходный уровень светоотдачи катодолюми-несцентных экранов обеих камер (промежуточного экрана синего свечения и выходного экрана желто-зеленого свечения), как показывает регулярный инструментальный контроль, удовлетворителен. При этом среднее значение коэффициента преобразования низкое (п ~ 11000), что значительно меньше нормы ТУ и минимального теоретического предела. Нередко при прочих равных условиях приборы имели еще более низкое значение п (до 6 000-7 000).
Для выяснения причин снижения г| особое внимание уделено уровню эффективности экранов обеих камер, снижающейся в ходе вакуумной обработки. Экспертиза обработанных изделий, т.е. проведение разрушающего контроля, показала, что некоторой деградации в ходе вакуумной обработки подвергался экран 1 (рис.2), слюдяная основа которого одновременно служит подложкой для фотокатода 2. При наблюдении со стороны слюдяной подложки слой люминофора превращался из белого в серый. Его светоотдача, контролируемая с помощью ультрафиолетовой лампы, в различных случаях снижалась на 25-50 % относительно исходной. Очевидно, данный экран подвергался негативному влиянию высокой температуры предварительного прогрева в составе изделия в вакууме (до 360 °С) либо излишнему вредному воздействию паров щелочных металлов при повышенной температуре в процессе формирования фотокатода камеры 1. Результаты дальнейших исследований показали, что деградация экрана происходит именно при обработке входного фотокатода изделия щелочными металлами. Формирование входного многощелочного катода довольно длительный процесс (более 4 ч). При этом проводится его последовательная обработка в парах трех щелочных металлов при высокой температуре: натрием при t = 290 °С в течение 1 ч 40 мин, калием при t = 210 °С - 40 мин, цезием при t = 160 °С - 12 мин. Для предохранения от проработки парами люминесцентного слоя экрана 1, находящегося в одном замкнутом объеме с входным катодом (см. рис.1), в камере 1 в парах предусмотрена защита в виде кольца с ситаллоцементом-геттером. Определив конкретный этап вакуумной обработки, неприемлемый для сохранения эффективности экрана, необходимо внести требуемые изменения в технологический процесс.
Из результатов экспертного анализа следует, что необходимо изменить этап обработки катода в парах в частности сократить его на 10 мин (до 1 ч 30 мин), а также, возможно, снизить температуру в печи на 15 °С (до 280 °С). Изменения, внесенные в технологию обработки катода в парах натрия с целью защиты люминофора экрана, незначительны, так как важно
Рис.2. Схема сборочной единицы экран - фотокатод: 1 - алюминиевая пленка; 2 - катодолюминофор К-67; 3 - хромовое контактное кольцо; 4 - слюдяная подложка; 5 - подслой хрома; 6 - слой сурьмы,
обрабатываемый в парах щелочных металлов Fig.2. Diagram of the assembly unit screen 1 - photocathode 2: 1 - aluminum film; 2 - K-67 cathodolumines; 3 - chrome slip ring; 4 - mica substrate; 5 - chromium sublayer; 6 - antimony layer treated with alkali metal vapor
не допустить снижения квантового выхода фотокатода. На первом этапе сокращено лишь время обработки. Уровень чувствительности при этом практически не изменился. Значение п удалось несколько увеличить (на 15 %).
Снижение температуры обработки катода в парах № на 10 °С позволило добиться существенных результатов при незначительных потерях по уровню спектральной (красной) чувствительности фсп (по ТУ фсп > 100 мкА/лм). Прирост среднего значения п составил примерно 65 %, фсп сократилось не более чем на 6-8 %. Значения достигнутых характеристик ЭОП приведены в таблице.
Из таблицы видно, что коэффициент преобразования достигает высоких значений. Однако в некоторых случаях отмечено значительное уменьшение величины спектральной чувствительности фотокатода. Поэтому возникла необходимость поднять на 5 °С температуру обработки катода в парах № в следующем режиме: время -1ч 30 минут, температура - 285 °С.
Результаты анализа изделий с низким значением п показали, что на катод камеры 2 напылен слишком плотный контактный подслой хрома (см. рис.2). Напыление Сг проводилось до 25 % прироста отражающей способности подложки, оцениваемой фотоэлементом [4], что установлено при разрушающем контроле изделия. На подложке наблюдалось плотное покрытие при электрическом контакте катода с металлической оправой. Отметим, что данный фотокатод формируется на слюдяной подложке, являющейся одновременно основой экрана 1 ЭОП. Очевидно, что слишком плотный слой хрома, предназначенный для подачи электрического питания на фотокатод, может значительно задержать излучение экрана 1, необходимое для возбуждения фотокатода 2. Установлено также, что экран 1 не был проработан щелочными металлами, как в рассмотренных случаях, а фотокатод камеры 2 эффективен.
Исследовалась возможность сокращения плотности слоя распыляемого хрома. При этом необходимо было не допустить превышения минимума толщины, что могло негативно сказаться на полноценности электрического питания катода 2. Установлено, что напыление Сг следует проводить до 20 % прироста отражающей способности подложки, оцениваемой фотоэлементом. Это, в свою очередь, также способствовало повышению ^ на 15 %.
Таким образом, оптимизация уровня коэффициента преобразования п двухкамерного ЭОП заключалась в совершенствовании процессов формирования фотокатодов обеих камер изделия. Изменение температурно-временного режима обработки позволило сохранить высокую эффективность экрана 1, что положительно повлияло на п. В результате оптимизации процессов напыления Сг квантовый выход фотокатода повысился и, как следствие, повысился п. Проведенные экспериментальные исследования позволили сократить потери изделий по уровню коэффициента преобразования на 35 %, прирост среднего значения п составил около 65 %.
Литература
1. ГрузевичЮ.К. Оптико-электронные приборы ночного видения. - М.: Физматлит, 2014. - 276 с.
2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего типа». - М.: Логос, 2004. - 450 с.
3. Многощелочные фотокатоды для электронно-оптических преобразователей / И.Н. Гончаров, А.В. Жуков, А.И. Малдзигати и др. // Микро- и нанотехнологии в электронике: материалы IX Междунар. научн. конференции. -Нальчик: Изд-во Каб.-Балк. ун-та, 2017. - С. 404-408.
4. Гончаров И.Н., Козырев Е.Н., Маркина В.А Основные направления совершенствования электронно-оптических преобразователей // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Сер. Естественные науки. - 2007. -№3. - С. 36-38.
Поступило в редакцию 28.03.2019 г.; после доработки 28.03.2019 г.; принято к публикации 14.05.2019 г.
Результаты эксперимента Experimental results
Номер эксперимента фЕ, мкА/лм фсп, мкА/лм
1 237 121 18000
2 223 105 17000
3 241 114 19500
4 235 116 22000
5 256 102 22000
6 225 119 21000
7 236 109 20000
8 249 103 21100
9 223 110 19000
Гончаров Игорь Николаевич - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры электронных приборов Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) (Россия, 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44), goncharov-scgtu@mail.ru
Козырев Евгений Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электронных приборов Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) (Россия, 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44), kozyrev@skgmi-gtu.ru
Урумов Владимир Владимирович - аспирант кафедры электронных приборов СевероКавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) (Россия, 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44), m.o.r.b.i.u.s@mail.ru
References
1. Gruzevich Yu.K. Opto-electronic night vision devices. Moscow, Fizmatlit Publ., 2014. 276 p. (In Russian).
2. Tarasov V.V., Yakushenkov Yu.G. Infrared systems of «looking type». Moscow, LOGOS Publ., 2004. 450 p. (In Russian).
3. Goncharov I.N., Zhukov A.V., Maldzigati A.I., Emanova Yu.S. Pitskhelauri D.Z. Multi-alkaline photocathodes for electron-optical converters. Micro and nanotechnology in electronics: Materials IX International scientific conference. Nalchik, Publishing house of Kabardino-Balkar state University, 2017, pp. 404-408. (In Russian).
4. Goncharov I.N., Kozyrev E.N., Markina V.A. The main directions of improvement of electron-optical converters. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy region. Seriya «Estestvennyye nauki» = Scientific-educational and applied journal «University news North-Caucasian region». Technical sciences series, 2007, no. 3, pp. 36-38. (In Russian).
Received 28.03.2019; Revised 28.03.2019; Accepted 14.05.2019.
Information about the authors:
Igor N. Goncharov - Dr. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., Prof. of the Electronic Devices Department, North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University) (Russia, 362021, Vladikavkaz, Nikolaev st., 44), goncharov-scgtu@mail.ru
Evgeny N. Kozyrev - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Electronic Devices Department, North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University) (Russia, 362021, Vladikavkaz, Nikolaev st., 44), kozyrev@skgmi-gtu.ru
Vladimir V. Urumov - PhD student of the Electronic Devices Department, North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University) (Russia, 362021, Vladikavkaz, Nikolaev st., 44), m.o.r.b.i.u.s@mail.ru
Уважаемые авторы!
С правилами оформления и опубликования научных статей можно ознакомиться на нашем сайте: http://ivuz-e.ru
