Научная статья на тему 'Резистивные характеристики пограничных и внутренних каналов микроканальных сот мкп18-10'

Резистивные характеристики пограничных и внутренних каналов микроканальных сот мкп18-10 Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
126
26
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Хатухов А. А., Ашхотов О. Г.

Измерены сопротивления пограничных и внутренних каналов МКП. Высокие объемная и поверхностная проводимости приводят к сильной электрической связи соседних каналов. Это не позволяет провести детальную диагностику отдельного канала в составе МКП. Увеличение времени термического водородного восстановления уменьшает сопротивления всех областей МКП. Возрастание длительности отжига в среде азота стимулирует обратный процесс. Установлено различное поведение пограничных и внутренних каналов как при термическом водородном восстановлении, так и при отжиге в среде азота.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Хатухов А. А., Ашхотов О. Г.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Resistance characteristic of boundary and internal channels of MCP 18-10

The resistance of boundary and internal channels of MCP are measured. High volume and surface conductivity result in strong electrical connection of the next channels. It does not allow making detailed diagnostics of the separate channel in MCP structure. The increase of time of hydrogen gas bake reduces resistance for all MCP areas. The increase of duration of heating in nitrogen environment stimulates return process. The various behaviour of boundary and internal channels is established both at hydrogen gas bake, and at heating in nitrogen environment.

Текст научной работы на тему «Резистивные характеристики пограничных и внутренних каналов микроканальных сот мкп18-10»

Резистивные характеристики пограничных и внутренних каналов микроканальных сот мкп18-10

Хатухов А.А., Ашхотов О.Г. foandi@rambler.ru ) Кабардино-Балкарский госуниверситет им. Х.М. Бербекова

Микроканальные пластины (МКП) - стеклянные вакуумные многоканальные вторично-электронные преобразователи и усилители организованных в пространстве потоков заряженных частиц и излучений. Конструктивно типовая современная МКП представляет собой стеклянный диск, состоящий из микроканальной вставки (МКВ) и монолитного обрамления (МО). МКВ в свою очередь состоит из микроканальных сот (МКС). В пределах МКВ содержится несколько миллионов регулярно расположенных круглых микроканалов. Первые три ряда каналов МКС считаются пограничными (ПК), остальные - внутренними каналами (ВК). Аббревиатура МКП18-10 означает, что внешний диаметр МКВ равен 18 мм, а диаметр одного канала - 10 мкм. В работе использовались МКП производства ВТЦ "БАСПИК" (г. Владикавказ). Одной из важнейших характеристик является электрическое сопротивление МКП, которое складывается из сопротивления параллельно включенных каналов. Сопротивление ПК и ВК может отличаться друг от друга в связи с разной их технологической предысторией. Целью работы было нахождение разницы в сопротивлениях ПК и ВК для оценки резистивного фактора в неоднородности их усиления.

Попытки измерения сопротивления каналов МКП нами предпринимались ранее [1]. Был построен резистивный профиль микроканальных сот (МКС) для заготовок МКП 1810, прошедших разные режимы термоводородного восстановления (ТВВ). По данным этих работ был сделан вывод о различии в свойствах пограничных (ПК) и внутренних каналов (ВК) МКС, которые определяет разная скорость их восстановления. Мы использовали образцы после ТВВ, т.е. очувствленные вытравленные заготовки (ОВЗ) МКП. ОВЗ с одной стороны имели общий контактный электрод, а измерение сопротивления каналов выполнялось позиционированием электрического зонда с не металлизированной стороны. Для МКП с интегральным сопротивлением 10 Ом

сопротивление одного канала должно быть порядка 1014 Ом. Подобная методика

12

измерения давала сопротивление канала около 10 Ом, то есть анализировалось сопро-

тивление области МКП, состоящей приблизительно из 100 параллельно включенных каналов.

Для оценки резистивного фактора в неоднородности усиления ПК и ВК МКС необходима более точная диагностика их электрических свойств. Здесь ситуация осложняется необходимостью нахождения разницы в сопротивлениях указанных каналов для вполне работоспособных МКП, у которых дефекты электронного изображения (в основном, сотовая структура) практически не проявляются при работе в линейном режиме.

Обозначим сопротивление единичного канала через К.к, а сопротивление стенки между каналами - Яст. Расклад сопротивлений в случае измерения сопротивления канала ОВЗ с односторонней металлизацией (рис.1) приведен на рис.2. Как видно, все каналы соединены с одной стороны общим контактным электродом. Сопротивление стенки между каналами гораздо меньше сопротивления вдоль канала, т.к. толщина стенки для МКП 18-10 примерно равна 2 мкм, а длина канала - 400 мкм. Следовательно, растекание тока по соседним каналам должно быть существенным.

Рис. 1. Измерение сопротивления канала на Рис.2. Упрощенная модель распределения

ОВЗ с односторонней металлизацией. сопротивлений в случае исследования ОВЗ

1 - источник напряжения, 2 - с односторонней металлизацией.

электрический зонд, 3 - исследуемый канал, 1 - источник напряжения, 2 -

4 - ОВЗ, 5 - контактный электрод, 6 - сопротивление стенки между соседними

регистрирующий прибор. каналами, 3 - сопротивления каналов, 4 -

регистрирующий прибор.

Можно токи растекания направить в обход регистрирующего прибора путем заземления остальных каналов с помощью кольцевого контактного электрода (рис. 3), как показано на рис. 4. Но, в этом случае вход регистрирующего прибора окажется практически зашунтированным более низкоомным сопротивлением Яст.

Рис. 3. Измерение сопротивления канала на ОВЗ с экранирующим кольцевым электродом.

1 - источник напряжения, 2 - 1-ый зонд, 3 -исследуемый канал, 4 - ОВЗ, 5 -экранирующий кольцевой электрод, 6 - 2-ой зонд, 7 - регистрирующий прибор.

Рис. 4. Упрощенная модель распределения сопротивлений в случае исследования ОВЗ с экранирующим кольцевым электродом. 1 - источник напряжения, 2 -сопротивление стенки между соседними каналами, 3 - сопротивления каналов, 4 -регистрирующий прибор.

Для минимизации токов утечки, на наш взгляд, следует выбрать способ измерения сопротивления каналов с помощью двух зондов (рис. 5). В этом случае паразитные токи уменьшаются за счет дополнительных сопротивлений Яст (рис. 6).

Рис. 5. Измерение сопротивления канала на Рис. 6. Упрощенная модель распределения ОВЗ с помощью двух зондов. сопротивлений в случае исследования ОВЗ

1 - источник напряжения, 2 - 1-ый зонд, 3 - с помощью двух зондов. исследуемый канал, 4 - ОВЗ, 5 - 2-ой зонд, 1 - источник напряжения, 2 -6 - регистрирующий прибор. сопротивление стенки между соседними

каналами, 3 - сопротивления каналов, 4 -регистрирующий прибор.

С учетом сказанного, нами была создана установка, позволяющая измерять сопротивление каналов ОВЗ с минимизацией возможных утечек тока по соседним каналам. Внешний вид установки и ее блок-схема приведены соответственно на рис.7, 8. Установка позволяет позиционировать зонды с повышенной точностью, при этом положение зондов можно контролировать в ходе измерений. Измерительный модуль (рис.9, 10) состоит из камеры 2, в которой размещен держатель образца 5 с двумя зондами 4, 8 на манипуляторах 3, 9. Первый зонд представляет собой медную проволоку диаметром 1200мкм с закруглением на конце (рис 11). Относительно большой диаметр выбран для надежного контакта с нужным каналом и для исключения его перемещения при диагностике соседнего канала. Плавное закругление обеспечивало постоянный контакт при отклонении зонда от нормали к поверхности образца. Второй зонд изготовлен из тонкой стальной проволоки, заточенной химическим способом до внутреннего диаметра канала (рис. 12). Положение зондов контролировалось с помощью микроскопа 1 (Latimet Automatic, увеличение 50х-1000х). Другая особенность установки - возможность измерения сопротивления на атмосфере. Для этого с помощью лампы-подогревателя 10 формировались атмосферные условия с пониженной влажностью (45-50%). Температура

подогрева составляла 100 С и контролировалась термопарой 11. Эта температура была максимальной, так как дальнейшее увеличение температуры недопустимо вследствие возрастания ионной составляющей проводимости. В качестве регистрирующего прибора использовался электрометр В7-45. Величина прикладываемого к каналу напряжения составляла 15В. Погрешность измерения сопротивления - не более 10%.

Рис.7. Внешний вид установки.

Рис. 8. Блок-схема установки для измерения сопротивления канала на ОВЗ с помощью двух зондов.

Рис.9. Внешний вид измерительного

Рис. 10. Схема измерительного модуля.

модуля. 1 - микроскоп, 2 - камера, 3 - система

манипуляции 1-ым зондом, 4 - 1-ый зонд, 5 - держатель образца, 6 - манипулятор держателя, 7 - ОВЗ, 8 - 2-ой зонд, 9 -система манипуляции 2-ым зондом, 10 -электрическая лампа-подогреватель, 11 -термопара.

Рис. 11. Фотография 1-го зонда на фоне ОВЗ МКП 18-10.

Рис. 12. Фотография 2-го зонда на фоне ОВЗ МКП 18-10.

Порядок подготовки установки к измерениям был следующий. Сначала устанавливался 1-ый зонд на исследуемую группу каналов. Затем с помощью манипулятора 6 вращался держатель на 1800 и тем самым 2-ой зонд размещался под объективом микроскопа. После установки 2-го зонда на нужный канал образец прогревался в течение 1 часа при температуре 1000С. Далее при постоянном прогреве системы и контроле положений зондов производилось измерение сопротивления соответствующих каналов.

В работе использовались восемь невытравленных заготовок (НВЗ) МКП 18-10 из одного блока 27п11б (ВТЦ "БАСПИК", г. Владикавказ). Все образцы прошли стандартную технохимическую обработку (ТХО) и ТВВ [2] с отбором по 2 образца после определенных стадий восстановления (табл. 1). Из каждой пары одинаковых образцов один направлялся на измерение сопротивления каналов, а второй - на измерение

электронно-оптических параметров. Протокол испытаний электронно-оптических параметров приведен в табл.2.

Табл. 1. Режимы обработки исследуемых Табл. 2. Протокол испытаний электронно-образцов оптических параметров МКП

№ ОВЗ Режимы обработки

1 ТВВ: Т=4550С, t=190мин;

отжиг в К2: Т=4400С, t=90мин

2 ТВВ: Т=4550С, t=190мин;

отжиг в N2: Т=4400С, t=45мин

3 ТВВ: Т=4550С, t=190мин;

без отжига в N

4 ТВВ: Т=4550С, t=100мин;

без отжига в N

Номер к, Входной пороговый

образца МОм ток появления сотовой

структуры*, А

1 258 9,810-11

2 222 9,810-11

3 200 9,5-10"п

4 216 9,810-11

* при выходном токе МКП 10-7 А.

В настоящей работе исследовалось как сопротивление каналов, так и сопротивление различных областей монолитного обрамления (МО) МКП. Мы хотели выяснить, насколько электрически связаны каналы крайних МКС с МО. Местоположение зондов при измерении сопротивления областей МО и каналов относительно них показаны на рис. 13. Первый ряд расположен на МО на расстоянии от вершины МКС, равном половине его диагонали. Второй ряд проходил через пограничные каналы на вершине МКС, а третий - через центральные каналы МКС. Первый зонд оставался неподвижным в течение всего эксперимента. Нами были исследованы также каналы МКС, как показано на рис. 14, 15. Для этого МКС условно делилась на внешнюю и внутреннюю области по отношению к МО. Внешней считалась область, граничащая с МО, а внутренней -противоположная область. Для каждой области замерялось сопротивление 10 каналов по диагонали МКС и 5 пограничных каналов от вершины МКС вдоль ее граней.

Рис. 13. Схема размещения зондов при измерении сопротивления областей МО и МКВ.

Рис. 14. Выбор каналов при исследовании Рис. 15. Выбор каналов при исследовании внешней области МКС. внутренней области МКС.

Результаты по измерению сопротивления областей МО и МКВ для каждого из четырех образцов приведены на рис. 16-19 (табл. 3-6 соответственно). Из приведенных результатов следует, что длительность восстановления и время отжига в среде азота после восстановления влияет на резистивные характеристики МО и каналов. Увеличение времени процесса ТВВ приводит к уменьшению сопротивления для всех областей

образца, в то время как возрастание длительности отжига в среде азота стимулирует обратный процесс. Следует отметить, что при ожидаемом росте сопротивления с удалением от 1-го зонда, была получена примерно одинаковая проводимость всех рассмотренных областей МО (ряд 1, рис. 16-19).

Рис. 16. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №1. 1 - ряд 1, 2 - ряд 2, 3 - ряд 3.

столбцов

Рис. 17. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №2. 1 - ряд 1, 2 - ряд 2, 3 - ряд 3.

Рис. 18. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №3. 1 - ряд 1, 2 - ряд 2, 3 - ряд 3.

Рис. 19. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №4. 1 - ряд 1, 2 - ряд 2, 3 - ряд 3.

Табл. 3. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №1

Табл. 4. Сопротивление областей МО и

МКВ ОВЗ №2

№ МКС Я, 1014 Ом

№ ряда

1 2 3

1 0,210 0,100 0,150

2 0,188 0,088 0,136

3 0,375 0,107 0,167

4 0,188 0,094 0,167

5 0,300 0,100 0,094

6 0,500 0,094 0,150

7 0,330 0,090 0,100

№ МКС Я, 1014 Ом

№ ряда

1 2 3

1 0,110 0,089 0,091

2 0,115 0,094 0,088

3 0,100 0,088 0,065

4 0,107 0,094 0,094

5 0,094 0,107 0,083

6 0,100 0,136 0,094

7 0,097 0,100 0,090

Табл. 5. Сопротивление областей МО и МКВ №3

Табл. 6. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №4

№ МКС Я, 1014 Ом

№ ряда

1 2 3

1 0,016 0,020 0,027

2 0,015 0,018 0,029

3 0,017 0,018 0,022

4 0,017 0,018 0,032

5 0,020 0,019 0,020

6 0,017 0,024 0,028

7 0,019 0,022 0,025

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

№ МКС Я, 1014 Ом

№ ряда

1 2 3

1 0,012 0,035 0,024

2 0,015 0,037 0,026

3 0,013 0,032 0,023

4 0,013 0,029 0,022

5 0,012 0,025 0,024

6 0,012 0,028 0,027

7 0,013 0,033 0,025

Данные по сопротивлению каналов для внешней и внутренней областей МКС приведены на рис. 20-23 (табл. 7-10). Здесь также наблюдается уменьшение сопротивления каналов ОВЗ с увеличением времени процесса ТВВ. Следующий за ТВВ отжиг в среде азота приводит к обратному процессу. Полученные результаты иллюстрируют различное поведение ПК и ВК как при их восстановлении, так и при отжиге. При 100 мин. режиме ТВВ сопротивление ПК каналов выше аналогичного

параметра ВК. С удлинением полки восстановления до 190 мин. ситуация менялась на противоположную. Далее 45-минутный отжиг в азоте практически выравнивал сопротивление ПК и ВК, а 90-минутный отжиг поднимал сопротивление ВК относительно сопротивления ПК. Для внешней области МКС заметно значительное возрастание сопротивления после 90-минутного отжига (ОВЗ №1, рис. 20, кривая 1) вследствие роста сопротивления МО. Этим объясняется столь большое различие в сопротивлении каналов на границе МО-МКВ и МКС-МКС. Образцы, не прошедшие отжиг, характеризуются более стабильными резистивными параметрами. В частности, разница в сопротивлении между ПК (1-3 ряд) и ВК для ОВЗ №3, 4 не наблюдается. Для МКС образцов, прошедших отжиг в азоте, характерна более высокоомная «периферия», что свидетельствует о более интенсивной реакции на отжиг ПК по сравнению с ВК.

Рис. 20. Сопротивление каналов, расположенных по диагонали во внешней области МКС.

1 - ОВЗ №1, 2 - ОВЗ №2, 3 - ОВЗ №3, 4 -ОВЗ №4.

Рис. 21. Сопротивление каналов, расположенных по диагонали во внутренней области МКВ. 1 - ОВЗ №1, 2 - ОВЗ №2, 3 - ОВЗ №3, 4 ОВЗ №4.

Рис. 22. Сопротивление каналов на границе Рис. 23. Сопротивление каналов на границе

МО-МКВ.

1 - ОВЗ №1, 2 - ОВЗ №2, 3 - ОВЗ №3, 4 -ОВЗ №4.

МКС-МКС.

1 - ОВЗ №1, 2 - ОВЗ №2, 3 - ОВЗ №3, 4 -ОВЗ №4.

Табл. 7. Сопротивление каналов, расположенных по диагонали внешней области МКС

Табл. 8. Сопротивление каналов, расположенных по диагонали внутренней области МКВ

№ Я, 10 14 Ом

канала № ОВЗ

1 2 3 4

1 0,500 0,044 0,019 0,023

2 0,375 0,065 0,016 0,030

3 0,375 0,052 0,016 0,032

4 0,300 0,054 0,023 0,027

5 0,500 0,050 0,021 0,030

6 0,375 0,042 0,020 0,024

7 0,214 0,041 0,019 0,028

8 0,300 0,050 0,021 0,030

9 0,300 0,036 0,020 0,024

10 0,250 0,043 0,016 0,021

№ Я, 10 14 Ом

канала № ОВЗ

1 2 3 4

1 0,068 0,063 0,021 0,029

2 0,088 0,058 0,018 0,023

3 0,058 0,045 0,017 0,031

4 0,065 0,050 0,019 0,027

5 0,056 0,047 0,021 0,026

6 0,060 0,052 0,016 0,027

7 0,056 0,050 0,018 0,023

8 0,056 0,060 0,017 0,025

9 0,060 0,056 0,018 0,023

10 0,052 0,045 0,016 0,024

Табл. 9. Сопротивление каналов на границе Табл. 10. Сопротивление каналов на МО-МКВ границе МКС-МКС

№ канала 1 Я, 1014 Ом № ОВЗ 2 3 4

5 1,500 0,054 0,021 0,022

4 0,750 0,052 0,015 0,027

3 1,500 0,045 0,019 0,028

2 0,375 0,044 0,023 0,021

1 0,500 0,044 0,017 0,022

0 0,500 0,044 0,019 0,023

-1 1,500 0,050 0,015 0,024

-2 0,500 0,047 0,019 0,026

-3 0,375 0,050 0,018 0,023

-4 0,300 0,044 0,031 0,003

-5 0,375 0,063 0,021 0,028

№ канала 1 Я, 1014 Ом № ОВЗ 2 3 4

5 0,063 0,058 0,020 0,030

4 0,068 0,063 0,018 0,027

3 0,063 0,058 0,017 0,026

2 0,058 0,065 0,019 0,025

1 0,056 0,063 0,017 0,027

0 0,068 0,063 0,021 0,029

-1 0,079 0,056 0,021 0,028

-2 0,079 0,060 0,002 0,027

-3 0,075 0,065 0,017 0,025

-4 0,075 0,056 0,019 0,025

-5 0,079 0,058 0,020 0,028

Таким образом, использование метода двух зондов позволило приблизить измеряемые значения сопротивления канала к отметке 1014 Ом. При этом полученные данные о поведении электрических параметров каналов в процессе ТВВ качественно не изменились. Мы предполагали обнаружить ярко выраженное различие в сопротивлении ПК (первые 3 ряда МКС) и ВК. Поводом для этого было наличие сотовой структуры на электронном изображении при работе МКП. Однако это сделать не удалось, так как значительные объемная и поверхностная проводимости ОВЗ приводили к сильной электрической связи соседних каналов. Это не позволило провести детальную диагностику отдельного канала в составе заготовки МКП. К тому же, порог появления сотовой структуры на электронном изображении у МКП оказался достаточно высоким (табл. 2), что, в свою очередь, свидетельствует о минимальном разбросе параметров каналов. Для изучения резистивных свойств одного канала необходимо иметь электрически изолированный канал. С другой стороны, этот факт играет положительную роль, так как имеет место более равномерное распределение приложенного к МКП потенциала что, следовательно, снижает требования к качеству металлизации. Для

выравнивания потенциала между каналами МКП необходимо увеличить лишь поверхностную проводимость.

Следует также отметить губительное влияние отжига даже в инертной среде на сформированный резистивно-эмиссионный слой. Увеличение сопротивления при отжиге свидетельствует об окислении сегрегированного на внутреннюю поверхность канала свинца. Возможно, в инертных средах окислителем выступает вода и остатки технологических растворов, имеющиеся в порах заготовок. Мы полагаем, что любой высокотемпературный отжиг сформированного РЭС необходимо проводить только в вакууме для минимизации содержания влаги и других окислителей в объеме и на поверхности структуры.

Электрические параметры будущих ПК и ВК, скорее всего, закладываются на вытяжке МЖС из-за различной интенсивности диффузионных процессов в системе жила-оболочка на поверхности и внутри перетягиваемого пучка ОЖС (температура на поверхности пучка всегда несколько больше температуры внутри пучка) [3]. Для ослабления данного эффекта необходимо снизить скорость нагрева пучка ОЖС. Кардинальным решением проблемы было бы использование СВЧ-нагрева вместо резистивного. В этом случае обеспечивается однородный прогрев пучка по всему объему, который исключает градиент температур между ПК и ВК.

Литература

1. Хатухов А. А., Ашхотов О. Г. Резистивные характеристики базовых стекол МКП и их одиночных каналов. - В кн. "Микроканальные пластины". Владикавказ, 2002, с. 256-262.

2. Кулов С. К. Микроканальные пластины для электронно-оптических преобразователей. - Владикавказ, 1998, 196 с.

3. Алкацева Т. Д. Закономерности формирования и минимизация дефектов электронного изображения микроканальных пластин. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Владикавказ, 1999, 247с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.