CC BY
13МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ELECTRONICS MATERIALS
Научная статья УДК 666.112.4:544.72.05 doi:10.24151/1561-5405-2023-28-6-727-733 EDN: XAFNUG
Резистивные свойства конструкционных стекол микроканальных пластин
О. Г. Ашхотов1, И. Б. Ашхотова1, Т. Т. Магкоев2
1 Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова, г. Нальчик, Россия 2Северо-Осетинский государственный университет им. К. Л. Хетагурова, г. Владикавказ, Россия
Аннотация. Создание резистивно-эмиссионного слоя в каналах микроканальных пластин происходит на этапе термохимической обработки в разбавленных кислотных и щелочных растворах. Варьируя режимы обработки, можно в той или иной мере менять параметры готового прибора. В работе для решения проблемы получения оптимальных электронно-оптических параметров микроканальных пластин исследованы резистив-ные характеристики свинцово-силикатных стекол после обработки в химических растворах. С использованием разработанной установки измерена электропроводность базовых стекол, одиночного канала, заготовок и прибора в целом. Показано, что рабочее электрическое сопротивление микроканальной пластины вследствие саморазогрева несколько меньше истинного. При температурах более 200 °С сопротивление микроканальной пластины меняется на несколько порядков вследствие ионной проводимости. Помимо измерения интегральных параметров измерено сопротивление одного канала, среднее значение которого равно 1 • 1014 Ом. Установлено, что химическая обработка образцов влияет на высокотемпературную ионную проводимость, но при этом энергия активации электропроводности не меняется. Последнее, в свою очередь, свидетельствует о неизменности механизма проводимости и типа носителей заряда. Отмечено, что обработка стекол в растворах №ОН и HF способствует значительному изменению их электрического сопротивления.
Ключевые слова: свинцово-силикатные стекла, резистор, обработка, электропроводность, ионы, катионы, характеристики, поверхность
Финансирование работы: работа выполнена в рамках госзадания СОГУ РББМ-2021 0005.
© О. Г. Ашхотов, И. Б. Ашхотова, Т. Т. Магкоев, 2023
Для цитирования: Ашхотов О. Г., Ашхотова И. Б., Магкоев Т. Т. Резистивные свойства конструкционных стекол микроканальных пластин // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 6. С. 727-733. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-6-727-733. - EDN: XAFNUG.
Original article
Resistive properties of structural glasses of microchannel plates
O. G. Ashkhotov1, I. B. Ashkhotova1, T. T. Magkoev2
1Kabardino-Balkarian State University named after H. M. Berbekov,
Nalchik, Russia
2
North Ossetian State University named after K. L. Khetagurov, Vladikavkaz, Russia
Abstract. The formation of a resistive emission layer in channels of microchannel plates occurs at the stage of thermochemical treatment in dilute acid and alkaline solutions. By varying the processing modes, it is possible to adjust the parameters of the finished device to a greater or lesser extent. In this work, in order to solve the problem of forming optimal electron-optical parameters of microchannel plates the change in the resistive characteristics of lead silicate glasses after treatment in chemical solutions are investigated. Using developed installations the electrical conductivity of a single channel, workpieces and the device as a whole was measured. It is shown that the operating electrical resistance of the microchannel plate due to self-heating is somewhat less than the true one. At temperatures higher than 200 °C, the resistance of the microchannel plate changes by several digits due to ionic conductivity. In addition to integral parameters measurement, one channel resistance was measured, its average value is 11014 Ohm. It has been established that the chemical treatment of structural glasses affects the high-temperature ionic conductivity but activation energy of electrical conductivity remains constant. The latter in its turn indicates the immutability of the conduction mechanism and the type of charge carriers. It is noted that the treatment of glasses in NaOH and HF solutions can significantly change their electrical resistance.
Keywords: lead silicate glasses, resistor, processing, electrical conductivity, ions, cations, characteristics, surface
Funding: the work was carried out within the framework of the state task FEFN-2021_0005 of the North Ossetian State University.
For citation: Ashkhotov O. G., Ashkhotova I. B., Magkoev T. T. Resistive properties of structural glasses of microchannel plates. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 6, pp. 727-733. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-6-727-733. - EDN: XAFNUG.
Введение. Микроканальная пластина (МКП) производится из стекла и представляет собой сотовую структуру. Геометрические параметры приборов, частью которых являются МКП, могут различаться, но поликапиллярная структура с полыми каналами диаметром до 3 мкм не меняется [1]. МКП предназначена для умножения потока элек-
тронов, обусловленного явлением вторичной электронной эмиссии при взаимодействии первичных электронов с внутренними стенками каналов пластины. МКП применяются в электронно-оптических преобразователях, например в приборах ночного видения, а также в системах управления заряженными частицами [2], детектирования сверхслабых сигналов оптического излучения [3], усилителях яркости, быстродействующих электронно-лучевых трубках, масс-спектрографах [4] и пр. МКП характеризуются химико-физическими и электрофизическими параметрами, закладываемыми на этапе производства. Любое неконтролируемое изменение параметров (из-за отклонений в технологии или воздействия внутренних и внешних факторов) влечет за собой ухудшение рабочих характеристик МКП.
Конструкционными материалами МКП являются свинцово-силикатные стекла [5]. В процессе производства МКП стекла подвергаются различным физическим и химическим воздействиям. Например, при обработке в кислотных и щелочных растворах в стеклах происходят процессы, приводящие к изменению важных в практическом плане электрических и оптических параметров. В работах [6-9] имеется информация о некоторых электрофизических параметрах МКП: ВАХ, зависимостях электрического сопротивления МКП от приложенного напряжения, температуре и др.
В настоящей работе изучаются резистивные свойства свинцово-силикатных стекол, составляющих МКП. Рассматриваются электрические свойства стекол С87-2 с массовым содержанием, %: 40,2 SiO2; 41,0 PbO; 7,0 Na2O; 7,0 BaO; 3,5 Al2O3; 1,0 Bi2O3; 0,3 As2O3 и С78-4 с массовым содержанием, %: 36,8 SiO2; 54,0 PbO; 3,0 BaO; 2,0 AhO3; 1,0 Bi2O3; 1,7 K2O; 0,5 Na2O после воздействия используемыми в технологии производства МКП кислотным (0,05 н HF) и щелочным (1,39 н NaOH) растворами [2]. Изучаются одиночные каналы и МКП18-10 (18 мм - диаметр рабочей зоны, 10 мкм - диаметр канала), при изготовлении которых использовали указанные растворы. Образцы для исследований предоставлены производителем МКП - ВТЦ «Баспик» (г. Владикавказ).
Эксперимент. Исследования электрофизических свойств МКП и дисков свинцово-силикатных стекол после химических воздействий проводили на установке, состоящей из высоковакуумной камеры, в которую вмонтирована ячейка для измерения сопротивления образцов МКП или стекол [9]. Для получения температурных зависимостей
ячейку размещали в печи, выполненной из кварцевой трубы с резистивным нагревом.
_^
Предельное разрежение 1-10 Па обеспечивалось использованием форвакуумного и диффузионного насосов. Остаточное давление в рабочей камере в зависимости от его значения измеряли механическим, термопарным и ионизационным манометрами. Для защиты измерительной ячейки от паров вакуумных масел между диффузионным насосом и рабочей камерой устанавливали азотную ловушку.
Перед измерениями сопротивления МКП ячейку обезжиривали, далее контролировали токи утечки. Время измерения сопротивления определяли процессами стабилизации тока в цепи. Сопротивление единичных каналов измеряли в ячейке, состоящей из системы управления положением зонда, размер которого соизмерим с внутренним диаметром исследуемого канала МКП [9]. В качестве образцов использовали восстановленные в среде водорода вытравленные заготовки МКП с односторонним напылением для контакта с электродом.
Результаты и их обсуждение. В приборах ночного видения приложенное напряжение находится в пределах 700-1000 В [2]. При таком рабочем напряжении МКП разогревается, что приводит к росту проводимости и, как следствие, катастрофической
ситуации. Сказанное подтверждается результатами измерения сопротивления МКП,
_^
полученными в высоковакуумных (10 Па) условиях. Температуру МКП измеряли при
Рис. 1. Зависимости сопротивления МКП от времени при саморазогреве (а) и от температуры (б) Fig. 1. Dependences of microchannel plate resistance on time during self-heating (a) and on temperature (b)
напряжении 1000 В (рис. 1, а). Как видно из рис. 1, а, система приходит в равновесное состояние в течение 3 ч при остаточном давлении в рабочей камере 2-10 Па. Повышение температуры образцов (более 200 °С) снижает сопротивление МКП в сотни раз (рис. 1, б).
Исследование влияния внешних воздействий на резистивные свойства одного канала в составе заготовки МКП оказалось неудачным, так как наблюдалась сильная электрическая связь соседних каналов из-за большой объемной и поверхностной проводимости образцов. Наблюдалось также ярко выраженное различие в электрических параметрах пограничных и внутренних каналов в пределах одной микроканальной соты [10]. Эксперименты показали, что среднее значение сопротивления канала составляет 1*1014 Ом. Для решения проблемы саморазогрева МКП в рабочем режиме проведен анализ высокотемпературной проводимости конструкционных свинцово-силикатных стекол МКП в зависимости от химической обработки. С этой целью исследовали диски
стекол С87-2 и С78-4 после обработки в течение 30 мин при комнатной температуре в 0,05 н растворе HF и в 1,39 н растворе NaOH [8]. Полученные ВАХ представлены на рис. 2. Как видно, ВАХ стекол практически совпадают. Различие начинает проявляться при температурах от 200-250 °С и выше.
На рис. 3 продемонстрированы температурные зависимости сопротивления дисков свинцово-силикатных стекол С87-2 и С78-4. Оба раствора - кислотный и щелочной - по-
U Э 1U ID ZU ZD JU --к т mT
Напряжение в вышают проводимость стекол, но NaOH влияет
на сопротивление сильнее. По полученным
Рис. 2. ВАХ свинцово-силикатных стекол
данным построены политермы изменения
Fig. 2. Volt-ampere c haracteristic of lead электропроводности 1п(Ш) в зависим°сти or silicate glasses C87-2 (•) and C78-4 (■) обратной температуры.
и 1-
о 2 3-
о
Ь О.
4-
0
220 260 300 340 380 420
240 280 320 360 400
Температура, °С а
Температура, °С б
Рис. 3. Температурная зависимость сопротивления свинцово-силикатных стекол С87-2 (а) и С78-4 (б): 1 - до обработки; 2 - после обработки в HF; 3 - после обработки в NaOH Fig. 3. Temperature dependence of lead silicate glass resistance C87-2 (a) and C78-4 (b): 1 - before processing; 2 - after processing in HF; 3 - after processing in NaOH
Анализ угловых коэффициентов рассчитанных прямых показал равенство энергий активации электропроводности Еа для всех дисков, которая составила порядка 0,7-0,8 эВ. Трактовать полученные результаты можно следующим образом. Известно, что полная электропроводность свинцово-силикатных стекол складывается из объемной и поверхностной проводимости [11]. Объемную электропроводность стекол определяет их химический состав, поэтому ее невозможно изменить. Напротив, поверхностная проводимость изменяется не только в зависимости от химического состава стекла, но от температуры и состава поверхностного слоя, на который, в свою очередь, оказывает влияние окружающая среда. В рассматриваемом случае такой средой является кислотный или щелочной раствор, с которым контактировали образцы. Эти растворы взаимодействуют с диоксидом кремния SiO2, входящим в состав стекол. Можно предположить, что разрушение кремниевого каркаса стекла приводит к выходу в растворы подвижных
щелочных и щелочноземельных ионов. Об этом свидетельствуют данные работы [12],
_^ _j
где авторы, анализируя отработанные травящие растворы HF (10 -10 моль/л), показали, что для свинцово-силикатных стекол помимо растворения кремния наблюдается и выщелачивание свинца. Очевидно, что кроме растворения компонентов стекол будет наблюдаться и обратный процесс адсорбции растворенных частиц на поверхность. В результате на поверхности стекол формируется слой, содержащий также и катионы щелочных и щелочноземельных элементов.
В работе [9] установлено, что в свинцово-силикатных стеклах преобладает ионная проводимость, причем носителями заряда являются в основном ионы щелочных и щелочноземельных металлов. Их присутствие в составе изучаемых стекол указывает на то, что катионы натрия и бария из объема и поверхностных слоев определяют электропроводность свинцово-силикатных стекол.
Заключение. Проведенные исследования показали следующее. При обработке в растворах NaOH (1,39 н) и HF (0,05 н) изменяется электрическое сопротивление стекол С87-2 и С78-4 на два порядка при температуре 300 °С. Этому способствует растворение щелочных и щелочноземельных компонентов стекол в изученных растворах и обратный переход подвижных в основном однозарядных ионов из раствора в поверхно-
стные слои стекол. Химическая обработка не влияет на механизм проводимости и тип носителей заряда.
Материалы статьи доложены на 7-й Научно-практической конференции «Интеллектуальные системы и микросистемная техника - 2023» (31 января - 6 февраля 2023 г., Кабардино-Балкарская Республика, пос. Эльбрус).
Литература
1. Мазурицкий М. И., Лерер А. М., Кулов С. К., Самканашвили Д. Г. Структура поверхности микроканальных пластин и возбуждение рентгеновской флуоресценции внутри полых микрокапилляров // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2019. № 6. С. 43-52. https://doi.org/10.1134/S020735281906009X. - EDN: WKNXHS.
2. Кулов С. К. Микроканальные пластины для электронно-оптических преобразователей. Владикавказ: СКГТУ, 1998. 196 с.
3. Система для регистрации сверхслабых оптических сигналов / С. К. Кулов, А. М. Кабышев, Д. В. Бестфатер и др. // Датчики и системы. 2015. № 5 (192). С. 40-43. EDN: TWFBWP.
4. Gys T. Micro-channel plates and vacuum detectors // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2015. Vol. 787. P. 254-260. https://doi.org/10.1016/j.nima.2014.12.044
5. Ашхотов О. Г., Магкоев Т. Т., Ашхотова И. Б. Взаимодействие свинцово-силикатных стекол с разбавленными растворами фтористоводородной кислоты // Стекло и керамика. 2021. № 5. С. 40-43. EDN: OFVYRV.
6. Алкацева Т. Д. Закономерности формирования и минимизация дефектов электронного изображения микроканальных пластин: дис. ... канд. техн. наук. Владикавказ, 1999. 247 с. EDN: QDDNHH.
7. Хатухов А. А., Ашхотов О. Г. Измерение сопротивления каналов микроканальных пластин с минимизацией токов утечки // Прикладная физика. 2003. № 4. С. 123-128.
8. Ашхотова И. Б. Влияние физико-химических операций на процесс формирования исполнительной поверхности микроканальных пластин: дис. ... канд. техн. наук. Владикавказ, 2003. 167 с. EDN: NMMPRZ.
9. Хатухов А. А. Закономерности формирования резистивных свойств микроканальных пластин: дис. ... канд. техн. наук. Нальчик, 2003. 136 с.
10. Авдеев К. А., Кулов С. К., Самканашвили Д. Г. Поведение сотовой структуры электронного изображения микроканальных пластин на хранении // Приоритеты мировой науки: новые подходы и актуальные исследования: сб. науч. тр. по материалам XXXVI Междунар. науч.-практ. конф. (Анапа, 30 дек. 2022). Анапа: «НИЦ ЭСП» в ЮФО, 2022. С. 6-11. EDN: NAYFSN.
11. Химическая технология стекла и сплавов: учебник для вузов / М. В. Артамонова, М. С. Асланова, И. М. Бужинский и др. ; под ред. Н. М. Павлушкина. М.: Стройиздат, 1983. 432 с.
12. Взаимодействие свинцово-силикатного стекла с разбавленными растворами плавиковой кислоты / В. А. Толмачев, М. А. Окатов, В. В. Пальчевский и др. // Физика и химия стекла. 1990. Т. 16. № 1. С. 107-110.
Статья поступила в редакцию 12.04.2023 г.; одобрена после рецензирования 12.06.2023 г.;
принята к публикации 24.10.2023 г.
Информация об авторах
Ашхотов Олег Газизович - доктор физико-математических наук, профессор кафедры электроники и цифровых информационных технологий Кабардино- Балкарского государственного университета им. Х. М. Бербекова (Россия, 360004, Кабардино-Балкарская Республика, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173), [email protected]
Ашхотова Ирина Борисовна - кандидат технических наук, доцент кафедры электроники и цифровых информационных технологий Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х. М. Бербекова (Россия, 360004, Кабардино-Балкарская Республика, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173), [email protected]
Магкоев Тамерлан Таймуразович - доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики и технологии наноструктур Северо-Осетинского государственного университета им. К. Л. Хетагурова (Россия, 362025, Республика Северная Осетия - Алания, г. Владикавказ, ул. Ватутина, 44-46), [email protected]
References
1. Mazuritskiy M. I., Lerer A. M., Dabagov S. B., Marcelli A., Hampai D., Dziedzic-Kocurek K. Focusing properties of bent micro-channel plates in the X-ray range. J. Surf. Investig., 2019, vol. 13, iss. 6, pp. 1005-1013. https://doi.org/10.1134/S1027451019060144
2. Kulov S. K. Microchannel plates for electro-optical converters. Vladikavkaz, NCIMM (STU), 1998. 196 p. (In Russian).
3. Kulov S. K., Kabyshev A. M., Bestvater D. V., Ryzhkov A. A., Fedotova G. V. The system for the registration of ultra-weak optical signals. Datchiki & Systemi = Sensors & Systems, 2015, no. 5 (192), pp. 40-43. (In Russian). EDN: TWFBWP.
4. Gys T. Micro-channel plates and vacuum detectors. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A, 2015, vol. 787, pp. 254-260. https://doi.org/10.1016/j.nima.2014.12.044
5. Ashkhotov O. G., Magkoev T. T., Ashkhotova I. B. Interaction of lead silicate glasses with dilute solutions of hydrofluoric acid. Steklo i Keramika = Glass and Ceramics, 2021, no. 5, pp. 40-43. (In Russian). EDN: OFVYRV.
6. Alkatseva T. D. Regularities of formation and minimization of defects in the electronic image of microchannel plates, diss. for the Cand. Sci. (Eng.). Vladikavkaz, 1999. 247 p. (In Russian). EDN: QDDNHH.
7. Khatukhov A. A., Ashkhotov O. G. Measurement of channel resistance of microchannel plates. Prikladnaya fizika = Applied Physics, 2003, no. 4, pp. 123-128. (In Russian).
8. Ashkhotova I. B. Impact of physical-chemical operations on the process of formation of the executive surface of microchannel plates, diss. for the Cand. Sci. (Eng.). Vladikavkaz, 2003. 167 p. (In Russian). EDN: NMMPRZ.
9. Khatukhov A. A. Regularities of formation of resistive properties of microchannel plates, diss. for the Cand. Sci. (Eng.). Nal'chik, 2003. 136 p. (In Russian).
10. Avdeev K. A., Kulov S. K., Samkanashvili D. G. Behavior of the cellular structure of the electronic image of microchannel plates in storage. Prioritety mirovoy nauki: novye podkhody i aktual'nye issledovaniya, collection of scientific papers based on the materials of the 36th International research-to-practice conference (Anapa, Russia, 30 Dec. 2022). Anapa, "NITs ESP" v YuFO Publ., 2022, pp. 6-11. (In Russian). EDN: NAYFSN.
11. Artamonova M. V., Aslanova M. S., Buzhinsky I. M. et al. Chemical technology of glass and alloys, textbook for universities, ed. N. M. Pavlushkin. Moscow, Stroyizdat Publ., 1983. 432 p. (In Russian).
12. Tolmachev V. A., Okatov M. A., Pal'chevskiy V. V. et al. Interaction of lead-silicate glass with dilute solutions of fluoride acid. Fizika i himia stekla, 1990, vol. 16, no. 1, pp. 107-110. (In Russian).
The article was submitted 12.04.2023; approved after reviewing 12.06.2023;
accepted for publication 24.10.2023.
Information about the authors
Oleg G. Ashkhotov - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof. of the Electronics and Digital Information Technologies Department, Kabardino-Balkarian State University named after H. M. Berbekov (Russia, 360004, Kabardino-Balkarian Republic, Nalchik, Chernyshevsky st., 173), [email protected]
Irina B. Ashkhotova - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Electronics and Digital Information Technologies Department, Kabardino-Balkarian State University named after H. M. Berbekov (Russia, 360004, Kabardino-Balkarian Republic, Nalchik, Chernyshevsky st., 173), [email protected]
Tamerlan T. Magkoev - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof. of the Physics and Nanostructure Technology Department, North Ossetian State University named after K. L. Khetagurov (Russia, 362025, Republic of North Ossetia - Alania, Vladikavkaz, Vatutin st., 44-46), t_magkoev@mail .ru
