CC BY
348
УДК 681.785 П.А. Алдохин СГГ А, Новосибирск
ОСОБЕННОСТИ ЭОП ДЛЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
В последние годы растет интерес приборостроителей к созданию оптико -электронных систем (ОЭС), работающих в ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Это обусловлено широким использованием данных приборов в различных областях науки и техники, например, в экологическом мониторинге Земли для дистанционной индикации разливов нефтепродуктов на воде и суше. Кроме того, применение ОЭС, например телевизионных камер, работающих в УФ области спектра, в качестве дополнительного информационного канала в составе многоспектральных ОЭС может значительно повысить их информативность [1].
В настоящее время в России и за рубежом быстрыми темпами развивается элементная база для создания данных ОЭС - фотодиоды, фотоэлектронные умножители, ПЗС и др. Одним из приемников УФ излучения являются и электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Трудностью создания ЭОП для УФ области спектра, в отличие от ЭОП для видимого диапазона, является небольшой выбор материалов для изготовления фотокатодов, а также прозрачных материалов для входных
□ = 35 % О = 30 % О = 25 % О = 20 %
длина волны,нм
Рис. 1
окон.
На рис. 1 показаны спектральные характеристики наиболее распространенных фотокатодов, нанесенных на различные входные окна: C -фотокатод CsTe на кварцевом стекле; B - бищелочной фотокатод K2SbCs на кварцевом стекле; T - фотокатод UV Wide-Band (NaKSb)Cs на кварцевом стекле; Q - фотокатод S20 (NaKSb)Cs на кварцевом стекле; F - фотокатод S25 (NaKSb)Cs на кварцевом стекле; E - фотокатод S25 (NaKSb)Cs на боросиликатном стекле; N - фотокатод S25RE (NaKSb)Cs на боросиликатном стекле.
Известно, что большинство фотокатодов, чувствительных в видимой области спектра,
чувствительны и к УФ излучению. Однако, применение в УФ ЭОП фотокатодов, чувствительных в широкой области спектра, имеет
существенный недостаток,
связанный с необходимостью защищать его (фильтровать) от засветки видимым светом.
Поэтому целесообразно
применять так называемые солнечнослепые фотокатоды, не чувствительные в видимой области спектра.
Как известно [4], только небольшая доля рассеянного излучения короче 290 нм может присутствовать в верхних слоях атмосферы, однако около поверхности Земли УФ излучение менее 290 нм практически отсутствует. Поэтому УФ ЭОП с солнечно-слепыми фотокатодами могут работать без защиты от естественного солнечного излучения. Обычно коэффициент «слепоты» таких катодов, т. е. отношение чувствительности фотокатода на длине волны 250 нм к чувствительности на длине волны 300 нм, должен составлять не менее 100 [2].
Наибольшее распространение получили фотокатоды на основе телурида цезия и рубидия (CsTe и RbTe), чувствительные в области среднего УФ излучения. Спектральные характеристики, этих
фотокатодов показаны на рис.
2.
На рис. 3 приведены кривые пропускания
некоторых материалов в УФ области спектра: 1) MgF2 -
о4-
К
сЗ
*
О
Е?
о
&
ё
о
К
К
о
О
*
50 100 150 200 250 300 350 400 450
длина волны, нм
Рис. 3
и 100 150 200 250 300 350 400
длина волны, нм
Рис. 2
фтористый магний, 2) Fused Silica -кварцевое стекло, 3) Glass -боросиликатное стекло, 4) UV Fider Optic - УФ волоконно-оптическая пластина.
Как видно, лучшим материалом является фтористый магний, поскольку это единственный материал, у которого коротковолновая граница пропускания составляет 120 нм.
Сдерживающим фактором в применении материалов в качестве входных окон, является их совместимость с технологией изготовления ЭОП и согласованность по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с конструкционными материалами корпуса ЭОП (металлами и стеком) [2], поскольку в состав технологического процесса подготовки входных окон ЭОП входит мойка в различных растворителях, многократный прогрев в вакууме и на воздухе при температуре до 450° С, обработка поверхности в парах щелочных металлов при изготовлении фотокатода и т.д.
Фтористый магний не полностью согласован с металлами и сплавами по ТКЛР, гигроскопичен и взаимодействует со щелочными металлами при изготовлении фотокатода, поэтому в итоге его чувствительность получается хуже, чем чувствительность фотокатода, изготовленного, например, на увиолевом стекле УС-88.
Фториды других металлов - бария и кальция также прозрачны в УФ области спектра, но их применение для входных окон невозможно по перечисленным выше соображениям [2].
На рис. 4 показаны кривые пропускания материалов,
прозрачных в УФ области спектра и применяемых для входных окон ЭОП, которые производятся в России. Основными из них также являются фтористый магний, плавленый кварц (показаны на рис. 3), лейкосапфир (1), увиолевые стекла УТ-49 (2) и УТ-88 (3).
С началом выпуска ЭОП с микроканальным усилением, сборка которых производится способом холодной
герметизации, условие
согласование материала входного окна с материалом корпуса ЭОП перестало быть сдерживающим фактором в применении фтористого магния и кварца в конструкции ЭОП для УФ области спектра [2, 3].
Одним из примеров зарубежных УФ ЭОП являются приборы, выпускаемые фирмой HAMAMATSU, основные параметры которых приведены в табл. 1 [5].
Рис. 4
Таблица 1
Размер фотокатода Спектральный диапазон Основная длина волны Материал входного окна Фотокатод Катодо люмин есцент ный экран
18 мм 160-320 нм 230 нм MgF2 CsTe P43
25 мм
18 мм 160-320 нм 230 нм С интетический кремний CsTe P43
25 мм
Характеристики отечественного УФ ЭОП «Кварц» второго поколения приведены в табл. 2 [6].
Таблица 2
Размер фотокат ода Спектральный диапазон Чувствител ьность фотокатода Материал входного окна Фотокато д Разрешение Катодо люмин есцент ный экран
14 мм 150-350 нм На X 250 нм > 20 мА/Вт MgF2 CsTe В центре 40 штр/мм На диаметре 10 мм 30 штр/мм P43
По заказу КТИ ПМ СО РАН был разработан макет УФ ЭОП с параллельным переносом изображения. Данный ЭОП имеет фотокатод на основе соединения Cs2Te, нанесенного на входное окно из MgF2 и чувствительного в спектральном диапазоне 200 - 320 нм; его основные характеристики представлены в табл. 3.
Таблица 3
Разме р фоток атода Спектраль ный диапазон Пороговая облученность в плоскости фотокатода Материал входного окна Фотокатод Разрешение при оптимальной облученности
18 мм 200-320 нм 10-7 Вт/м2 MgF2 CsTe 39 штр/мм
График квантового выхода фотокатода ЭОП показан на рис. 5.
длина волны, нм
Рис. 5
Можно надеяться, что дальнейшее повышение основных характеристик УФ ЭОП таких как: спектральной чувствительности, пространственного разрешения, увеличение отношения сигнал/шум позволит использовать данные приборы при создании перспективных многоканальных ОЭС различного назначения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алдохин П.А., Рафаилович А.С. Телевизионные системы для УФ области спектра // Сб. материалов научного конгресса «ГЕО - СИБИРЬ - 2005» - Т. 6. - Новосибирск: СГГА, 2005. - С. 42 -47.
2. Отчет «Анализ состояния метрологической базы за рубежом и в России необходимой для измерения параметров электронно-оптических преобразователей и оптико-электронных модулей, работающих в УФ-области спектра, разработка предложений по ее созданию и составу». - М.: «ДОМ ОПТИКИ» ВНЦ «ГОИ им. С. И. ВАВИЛОВА», 2004.
3. Бутслов М. М., Степанов Б. М., Фанченко С. А. Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных исследованиях. - М.: «Наука». - 1978.
4. Рафаилович А.С. Объекты исследования и параметры исследовательской аппаратуры для ультрафиолетовой области спектра // Сб. материалов научного конгресса «ГЕО - СИБИРЬ -2005» - Т. 6. - Новосибирск: СГГА, 2005. - С. 52 - 56.
5. Internet: http://www.hamamatsu.com.
6. Internet: http://rusnv.ru.
© П.А. Алдохин, 2006
