CC BY
44
ПЕТРАКОВ1 Алексей Васильевич, доктор технических наук, профессор ФЕДЯЕВ2 Юрий Сергеевич, кандидат технических наук
УКОРОЧЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ -УВЕЛИЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЯМОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Явление увеличения эффективности прямого фотоэлектрического преобразования в режиме нано(микро)секундных длительностей энергетического воздействия
На основе выявленного эффекта повышения, фоточувствительности высокоомных полупроводников при микро(нано)се-кундных экспозициях расширен диапазон использования, фотополупроводников — растровых регистраторов быстропро-текающих процессов — до пико(фемто)секундных значений времен экспозиций.
Ключевые слова: эффект, повышения, фоточувствительности, полупроводник, микро(нано)-секундные экспозиции, растровые регистраторы, быстропротекающих процессов, пико(фемто)секундные экспозиции.
On base detectionale effect of magnification, energy conversion, efficiency (increase photosensitivity high-resistance semiconductor) of micro(nano)second exposure expansion to pico(femto)second duration of exposure.
Keywords: effect increase of internal photoelectric sensitivity, semiconductor, micro(nano)second exposure, rasterrecorder of fast process, pico(femto)second.
Достижения физики микромира и физики макромира все чаще взаимообусловлены с достижениями таких отраслей науки, техники и производства, как химическая, энергетическая, электронная, космическая, оборонная и другие, а если детальнее, то определяются неотложным и успешным решением многих динамических задач. Поэтому разработка методов физической и технической диагностики различных явлений и процессов (в том числе быстропротекающих и кратковременных) имеет важное научное и практическое значение. Особенно востребованы методы и устройства, позволяющие получать экспериментальную информацию в реальном масштабе времени с возможностью
использования ее в целях мгновенной (высокоскоростной) коррекции режимов экспериментального и технологического оборудования [1]. В [2] были проанализированы и показаны возможности методов флукту-ационной диагностики, в частности осциллографирования электрических параметров (токов, потенциалов и других) быстропротекающих процессов с требуемым временным разрешением. Однако в значительном ряде случаев для повышения информативности необходимо одновременно визуальное наблюдение за развитием быстропро-текающих процессов. Такая задача решается с помощью автоматического высокоточного телевизионного метода [3], в котором
используется измерительная линия «телевизионная система — ЭВМ», обладающая высокой точностью измерений, возможностью фиксации промежуточных результатов эксперимента с помощью разного рода дисплеев и последующей корректировки эксперимента, набором необходимого количества экспериментальных данных за минимальное время. Условием успеха телевизионного метода является целенаправленное по характеристикам использование передающей телевизионной трубки (ПТТ) или же современного прибора с зарядовой связью (ПЗС). Последние имеют более энергочувствительные элементы (пиксели) с присадками мышьяка, фосфора, теллура и др.
' — НИЯУ МИФИ, профессор;
2 — ОАО «НПК «Дедал», зам. ген. директора.
В устройствах специального телевидения применяются два принципиально различных типа передающих трубок: с переносом электронного изображения и без переноса (видикон и его варианты). Трубки типа видикон обладают одним решающим преимуществом: воспроизведение изображения на их мишени происходит с помощью изменения фотопроводимости (внутренний фотоэффект), в то время как в трубках с переносом электронного изображения (суперортикон) — за счет фотоэмиссии электронов с фотокатода на мишень. Трубки без переноса проще в эксплуатации и дешевле. Поэтому именно их разновидности (видикон, плюмбикон, кремникон и другие) выбраны в качестве объектов исследований, ориентированных на широкое применение в составе ПТТ автоматических телевизионных комплексов измерения быстропротекающих процессов.
Теоретические исследования работы фотополупроводников при укорочении длительности засветок (в режиме микро- и наносекундных засветок) показали следующее [4, 5]:
1) в начале после освещения фотополупроводника потоком E образование неравновесных носителей пропорционально времени освещения t0CB (t0CB < т), где т — время жизни неравновесных носителей; на начальном линейном участке нарастания фотопроводимости рекомбинация не сказывается;
2) количество неравновесных носителей, образующихся в единицу времени, пропорционально интенсивности освещения (это означает, что при резком повышении интенсивности освещения следует ожидать ускоренного формирования потенциального рельефа на мишенях трубок видиконного типа);
3) так как стационарное значение фототока устанавливается приблизительно за одно или два времени пролета (время пролета составляет порядка 10-8 с), то при длительностях засветок t0CB = 10-6...10-7 с значение потенциального рельефа, образованного фототоком, будет пропорционально произведению Е х t0CB;
4) по мере увеличения t0CB при условии Е х t0CB = const рост количества неравновесных носителей в единицу вре-
мени уменьшается, так как начинает сказываться процесс рекомбинации (t0CB > т). Это позволяет сделать вывод, что короткие засветки (меньшие времени жизни носителей) большой интенсивности эффективнее постоянной засветки и импульсных засветок, обычно применяемых при использовании фотополупроводников (фотопреобразователей), то есть для получения одного и того же сигнала при коротких засветках большой интенсивности потребуется меньше Е х t
осв•
Экспериментальные исследования работы ПТТ как фотоэлектрического преобразователя проводились с использованием импульсной лампы — вспышки ИСШ-15 (микросекундные засветки) и импульсных лазеров (засветки длительностью 15 и 40 нс) [3, 5]. При микросекундных засветках потребовались экспозиции на 40.60% меньшие, чем при постоянном освещении для получения одного и того же сигнала во всех случаях сравнительных измерений (видиконы ЛИ425, ЛИ414 и другие).
При засветках длительностью 15 и 40 нс значение энергии сигнала на входе ПТТ обеспечивало получение на выходе ПТТ отношения сигнал/помеха, равное 10 и более. Выигрыш в значениях экспозиции составлял от 10 до 15 раз для всех используемых ПТТ (ЛИ425, ЛИ457, ЛИ439, ЛИ438, ЛИ431) и различных типов фотомишений (гомогенная мишень на основе трехсернистой сурьмы; оксидно-свинцовая мишень со структурой p-i-n фотодиода; гетероструктурная мишень на основе селенида кадмия). С учетом результатов экспериментов в значение тока сигнала ПТТ — ic предлагалось (статьи 1970 гг.) ввести коэффициент т, учитывающий эффективность длительности засветки. Тогда
ic = const при m Е х t0CB = const,
где E — интенсивность (мощность) света на определенной длине волны; t0CB — длительность освещения. Таким образом, в стационарных режимах работы видиконов (фотопреобразователей) в условиях непрерывного освещения т = 1, при микросекундных засветках т = 1,1.1,5 и даже 2. При наносекун-дных засветках коэффициент m значительно больше — до 10.15 (рис. 1).
10 100 1000 нс
Рис. 1. Зависимость коэффициента m от длительности экспозиции t0CB [1, 3, 5, 12 - 15, 17, 19 - 31, 43]
Как вариант множительный коэффициент m может быть заменен степенным коэффициентом p [3]:
ic = const при Е х t p0CB = const.
Полученные результаты, наряду с применением в экспериментальных диагностических комплексах при изучении быстропротекающих процессов, могут быть использованы для повышения эффективности фотопреобразователей в разработках новой и специальной техники [6].
Трубочные и твердотельные растровые (ПЗС) фотоэлектрические преобразователи теперь все чаще используются в физических экспериментах нано-, пико-, фемтосекундных дли-
тельностей взаимодействий (воздействий). Конкретно можно сослаться на работы, выполненные в ОИВТ РАН [7, 8] и ИОФ РАН [9].
Источником фемтосекундных лазерных импульсов являлась титан-сапфировая лазерная система, генерирующая импульсы длительностью 150 фс на длине волны 800 нм. Исследовались смещения алюминиевой пленки от импульсных лазерных ударов, регистратор с использованием ПЗС-матрицы [7, с. 142 - 143].
Для воздействия на пылевую плазму использовался разряд емкостного типа (импульсы напряжения длительностью 3...9 нс с фронтом нарастания 3 нс, амплитудой 8500 В и частотой следования 0,1.1000 Гц). Пылевая структура в сечении лазерного ножа регистрировалась цифровой скоростной камерой РЛЯТЕЕ Шврес с разрешением 1280 на 1024 пикселей при скорости съемки до 500 кадр./с. Исследовалась амплитуда колебаний отдельных частиц в зависимости от частоты следования наносекундных импульсов [8, с. 408 — 409]. Фирмы Японии, Германии, США поставляют телевизионные регистраторы кратковременных и быстропро-текающих процессов обсуждаемых временных диапазонов. Предлагают такую технику и российские разработчики-изготовители [10, 11]. Их достижения обсуждены в [12]. В монографии [13] обобщен опыт исследований, разработок и применения автоматических систем для считывания бесфильмовых и фильмовых изображений с высокой точностью (при относительной приведенной погрешности измерения геометрических координат до 10-5). С использованием предыдущих книжных изданий [14 — 19] и частично [20] на базе, прежде всего, авторских исследований характеристик видиконов [21 — 23], видиконов с памятью [24], крем-никонов [25], суперортиконов [26], плюмбиконов [27] систематически изложены общие подходы построения читающе-опознающих автоматов трех принципиально различных исполнений: оптико-механических (лазерных) сканаторов, на основе электронно-лучевых трубок «бегущее пятно» и на основе энергоэлектрических координатных преобразователей (пе-
100 ¿с/¿стах(ис/истах), %
з7 \ 2 \ 50
1
-15-12 -9 -6 -3 0 1 2 3 Igt
О г
эксп
Рис. 2. Временные границы работы фотослоев ПТТи ПЗС (Ьэксп, с) при ЕЬэксп * const (зависимость 2 расширена в зависимость 3 на основе ряда последующих публикаций, например [1, 5, 7 - 14])
редающие телевизионные трубки, приборы с зарядовой связью), в том числе высокоточных растровых регистраторов быстропротекающих (мкс, нс, пс, фс) процессов. К настоящему времени (2013 г.) действенность закона взаимозаместимо-сти для передающих телевизионных приборов с внутренним фотоэффектом, обнаруженная в 1970 г. [28], затем повторно исследованная в 1979 г. [29], многократно подтверждена в авторских работах (например [5]) и рядом уважаемых авторов — сотрудников весьма знаменитых ОИВТ РАН [7, 8] и ИОФ РАН [9]. На рис. 2 представлены временные границы работы фотослоев ПТТ и ПЗС на основе российских [1,7 — 11] и зарубежных (в [12] упомянуты фирмы Kodak, Aptina, Sony, Lumenera, Cypress) источников. Высокоскоростные телевизионные камеры производят известные фирмы Redlake (США), Pco.dimax (Германия), Fastvideo (Россия), Videoscan (Россия) — регистрируют до 50000 кадров/с. NHK (Япония) заявляет 1 000 000 регистрируемых кадров в секунду, но серия может состоять лишь из 144 кадров.
Описания и результаты исследований телевизионных комплексов регистрации треков в искровых и стримерных камерах (мкс и нс времена свечения треков) опубликованы в журнале «Приборы и техника эксперимента» [30 — 32], в препринтах 60 — 70 гг. ХХ
века [33, 34], защищены авторскими
свидетельствами [35, 36].
Внешний вид книжных изданий [12
— 20] представлен на 3-й странице обложки журнала.
Совсем свежее — следующее. 27.03. 2013 г. в ФИАНе им. П.Н. Лебедева состоялись XXXVII Вавиловские чтения по люминесценции (симпозиум). Три доклада [37 — 39] были представлены как освещающие достижения последних лет в исследованиях процессов импульсной фото(опто)электроники. В [37] — а это Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова — исследованы импульсные режимы оптовоздействий на легированные сплавы теллурида свинца, а также соединений свинца с рядом других присадок (варианты олова). Особенности экспериментов: воздействия импульсами пико(нано)секун-дной длительности в терагерцовом диапазоне частот (0,1.10 ТГц) электромагнитного спектра. Представленная кинетика фотопроводимостей совершенно схожа с исследованиями кинетики фотопроводимости при микро(нано)секундных засветках в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра, например [5, 14, 23 — 25 и др.]. При анализе проблем развития кремниевой оптоэлектроники [38] (Институт физики микросистем РАН, г. Нижний Новгород) можно было упомянуть и [25]
— результаты отечественных исследо-
ваний 35-летней давности, которые неоднократно затем публиковались в книгах [3, 14, 17] и обзорах [31]. В [39] (Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН) обсуждены циркулярный фотогальванический эффект и индукцированный фотогальваниче-
ский эффект при анализе спиновых фототоков в полупроводниковых гете-роструктурах.
Импульсные режимы работы приемников электромагнитных [40 — 42] и акустических [40, 41] волн обсуждены на основе экспериментальных и
теоретических исследований. Ранее [43] одиннадцатью соавторами была подана заявка во ВНИИГПЭ на предполагаемое открытие совместно от четырех предприятий различных ведомств: ВЗЭИС, НИКИМТ, ВНИИ «Электрон», ЦКБ «Астрофизика»
Литература
1. Баранов Н.Н., Петраков А.В. Явление увеличения эффективности прямого фотоэлектрического преобразования в режиме нано(микро)секундных длительностей энергетического воздействия. Материалы Юбилейной научной конференции, посвященной 50-летию ОИВТ РАН. — М.: Объединенный институт высоких температур РАН, 2011. — С. 198 — 201.
2. Баранов Н.Н. О возможности применения, методов флуктуационной диагностики для. анализа состояния, и работоспособности систем, и объектов различной физической природы../ Известия. Академии наук. Энергетика, 2004. — № 6. — С. 61 — 73.
3. Петраков А.В. Автоматические телевизионные комплексы, для. регистрации быстропротекающих процессов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. - 152 с.
4. Гершберг А.Е. Передающие телевизионные трубки с внутренним, фотоэффектом.. — М.: Радио и связь, 1973. — 256 с.
5. Чувствительность передающих телевизионных трубок с внутренним, фотоэффектом, при кратковременных экспозициях. А.В. Петраков, В.А. Вайсберг, А.Е. Гершберг, В.П. Горохов и др./ Вопросы, радиоэлектроники. Серия. «Техника средств связи», 1980. — Выпуск 1. — С. 83 — 93.
6. Батенин В.М., Баранов Н.Н. Создание новых видов автономных энергоустановок на основе методов прямого преобразования. энергии./ Известия. Академии наук. Энергетика, 1997. — № 2. — С. 3 — 27.
7. Исследования, прочностных свойств алюминия, в условиях высокоскоростного растяжения, при воздействии фемтосе-кундного лазерного импульса./ М.Б. Агранат, С.И. Ашитков, Г.И. Канель, П.С. Комаров, В.Е. Фортов. Материалы Юбилейной научной конференции, посвященной 50-летию ОИВТ РАН. — М.: ОИВТ РАН, 2011. — С. 142 — 146.
8. Воздействие наносекундных импульсов напряжения, на пылевую плазму в тлеющем, разряде./ Л.М. Василяк, В.И. Молотков, В.Н. Наумкин, В.Я. Печеркин, Д.Н. Поляков. Материалы Юбилейной научной конференции, посвященной 50-летию ОИВТ РАН. — М.: ОИВТ РАН, 2011. — С. 407 — 410.
9. Щелев М.Я. Фемтосекундная фотоэлектроника (прошлое, настоящее, будущее)./Успехи физических наук, 2000. — № 9. — С. 1002 — 1017.
10. www.fastvideo.ru.
11. www.videoscan.ru.
12. Петраков А.В., Лагутин В.С. Телеохрана, 4-е изд., доп. — М.: Academia, 2012. — 504 с.
13. Петраков А.В., ВыскубВ.Г. Высокоточные телевизионные читающие автоматы. — М.: Энергоатомиздат, 2008. — 576 с.
14. Петраков А.В., Харитонов В.М. Высокоточные телевизионные комплексы для измерения, быстропротекающих процессов. — М.: Атомиздат, 1979. — 160 с.
15. Петраков А.В. Совмещение телевизионных растров. — М.: Радио и связь, 1985. — 96 с.
16. Петраков А.В. Знакомство с цифровым, телевидением: охранно-защитные технологии. — М.: ООО «Инсвязьиздат», 2003. — 92 с.
17. Петраков А.В. Телевидение предельных возможностей. — М.: Знание, 1991. — 64 с.
18. Петраков А.В. Введение в электронную почту. — М.: Финансы, и статистика, 1993. — 208 с.
19. Петраков А.В., Гершберг А.Е., Суриков И.Н. Передающие устройства систем, охранного видеонаблюдения. — М.: ЦНТИ «Информсвязь», 2003. — 196 с.
20. Петраков А.В. Совмещение разноспектрозональных и прецизионных телевизионных растров. — М.: РадиоСофт, 2009. — 208 с.
21. Петраков А.В., Горохов В.П. Передающая, трубка для. телевизионного автомата съема информации с искровых камер. — Известия АН АрмССР. Серия Физика, 1968. — № 1. — С. 32 — 35.
22. Петраков А.В., Горохов В.П., Лупаков И.В. Некоторые параметры, видиконов при засветке короткими импульсами большой интенсивности./ Приборы, и техника эксперимента, 1969. — № 1. — С. 223.
23. Видикон ЛИ415 в режиме микросекундных засветок./ А.В. Петраков, А.Е. Гершберг, В.П. Горохов, Я.Я. Венде и др./ Техника кино и телевидения, 1969. — № 4. — С. 57 — 59.
24. Некоторые параметры видиконов ЛИ414 при микросекундной экспозиции./ В.П. Горохов, А.Г. Лапук, А.В. Петраков, Л.М. Холомеева./ Электронная техника. Серия. 4 (электронно-лучевые и фотоэлектрические приборы), 1969. — Выпуск 4. — С. 3 — 7.
25. Кремниконы ЛИ446 в режиме импульсного экспонирования, микросекундной длительности./ В.П. Горохов, Е.Е. Левина,
A.В. Петраков, И.Н. Петров и др./ Техника кино и телевидения, 1978. — № 3. — С. 49 — 52.
26. Автоматический съем, информации со стримерныхкамер супертиконом./ Т.Л. Асатиани, В.П. Горохов, В.А. Иванов, А.В. Петраков./ Приборы, и техника эксперимента, 1972. — № 4. — С. 64 — 65.
27. Горохов В.П., Ершов И.В., Петраков А.В. Увеличение быстродействия, телевизионных комплексов бесфильмового съема информации с искровых камер./ Приборы, и техника эксперимента, 1975. — № 1. — С. 46 — 48.
28. Петраков А.В. О действенности закона взаимозаместимости для видиконов при импульсной засветке малой длительности./ Электронная техника. Серия. 4 (электронно-лучевые и фотоэлектрические приборы), 1970. — Выпуск 5. — С. 14 — 17.
29. Петраков А.В. О границах действенности закона взаимозаместимости для. передающих телевизионных трубок с внутренним фотоэффектом../ Техника кино и телевидения, 1979. — № 12. — С. 49 — 50.
30. Петраков А.В. Телевизионный бесфильмовый метод измерения, координат, быстропротекающих процессов./ Приборы, и техника эксперимента, 1977. — № 1. — С. 7 — 16.
31. Петраков А.В. Развитие телевизионного басфильмового метода измерения, координат, быстропротекающих процессов./ Приборы, и техника эксперимента, 1980. — № 6. — С. 5 — 17.
32. Видиконная. автоматическая, система для. регистрации координат, треков частиц в искровых камерах с непосредственной связью с ЭВМ./ Э.С. Беляков, В.А. Клевалин, А.В. Петраков и др./ Приборы, и техника эксперимента, 1972. — № 5. — С. 249.
33. Исследование основных характеристик телевизионного автомата съема информации с искровых камер./ А.В. Петраков, В.М. Харитонов, В.П. Горохов, В.А. Клевалин. — Препринт. Ереванского физического института АН Арм.ССР ЕФИ-ВИТ — 1(68). — Ереван: АРУС, 1968. — 27 с.
34. Исследование работы, телевизионного автомата съема информации с искровых камер на пучке электронно-кольцевого ускорителя. / В.А. Клевалин, Б.А. Лебедев, А.В. Петраков и др. — Препринт. Ереванского физического института АН Арм.ССР ЕФИ-ВИТ — 22(73). — Ереван: АРУС, 1973. — 22 с.
35. А.с. 260978 (СССР). Преобразователь координат, треков искровой камеры в цифровой код./ А.В, Петраков, В.П. Горохов,
B.А. Клевалин, В.М. Харитонов. — Бюллетень изобретений, 1970. — № 4.
36. А.с. 936455 (СССР). Способ регистрации излучения, от. объектов с регулируемой яркостью./ А.В. Петраков. — Бюллетень изобретений, 1982. — № 22.
37. Хохлов Д.Р. Новый тип локальных электронных состояний в легированных сплавах на основе теллурида свинца: фундаментальные и прикладные аспекты. XXXVII Вавиловские чтения, по люминесценции. 27. 03. 2013. — ФИАН им.. П.Н. Лебедева, 2013.
38. Красильник З.Ф. Проблемы, развития, кремниевой оптоэлектроники. XXXVIIВавиловские чтения, по люминесценции. 27. 03. 2013. — ФИАН им.. П.Н. Лебедева, 2013.
39. Бельков В.В. Спиновые фототоки в полупроводниковых гетероструктурах. XXXVIIВавиловские чтения, по люминесценции. 27. 03. 2013. — ФИАН им. П.Н. Лебедева, 2013.
40. Федяев Ю.С., Федяев С.Л., Петраков А.В. Системное обеспечение безопасности современных и перспективных предприятий. Труды. Международной конференции «Современное телевидение и радиоэлектроника». — М.: ФГУП «МКБ Электрон», март 2013. — С. 288 — 290.
41. Дворянкин С.В., Меньшаков Ю.К., Петраков А.В. Демаскирующие признаки лазерных систем, и источников гидроакустического излучения. Материалы научной сессии НИЯУ МИФИ — 2013 (в трех томах). Том 2 (Проблемы, фундаментальной науки. Стратегические информационные технологии). — М.: НИЯУ МИФИ, январь 2013. — С. 211.
42. Баскакова Е.С., Петраков А.В., Федяев Ю.С. Физические основы утечки видеоинформации техническими каналами. — М.: НИЯУ МИФИ, 2013. — 110 с.
43. Петраков А.В., Гершберг А.Е., Горохов В.П., Касаткина И.А., Лапук А.Г., Любатуров В.М., Михайлов-Теплов Н.Н., Суриков И.Н., Хачатуров Н.А., Цырлин Л.Э., Яковенко В.С. Заявка во ВНИИГПЭ на предполагаемое открытие «Эффект, повышения, фоточувствительности высокоомных полупроводниковых слоев при. коротких длительностях экспозиций». Январь 1988 г. Заявители: ВЗЭИС, НИКИМТ, ВНИИ «Электрон», ЦКБ «Астрофизика».
