Микроканальная пластина

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей.

Микрокана́льные пласти́ны (МКП) — вид изделий вакуумной микроэлектроники. Предназначены для работы в вакууме в качестве многоканальных детекторов, преобразователей и вторично-электронных усилителей пространственно-организованных потоков заряженных частиц и излучений. Основное применение — преобразователь и усилитель яркости изображения индивидуальных приборов ночного видения.

Конструкция МКП и используемые материалы

МКП с конструктивной точки зрения — стеклянный диск, который состоит из микроканальной вставки (МКВ) и монолитного обрамления (МО). МКВ представляет собой сотовую структуру (для круглых МКП, обычно, в виде двенадцатиугольника с рифлеными границами) из множества (500—1000) регулярно расположенных и спеченных вместе шестиугольных микроканальных сот (МКС), а каждая сота состоит из множества (5000—10000) регулярно расположенных и спеченных вместе миниатюрных трубчатых каналов, диаметр которых может составлять 2—12 мкм, а плотность порядка (0,5—5)10⁶/см².

Материал МКП — свинцовосиликатные стекла (ССС): основное стекло матрицы МКВ (стенок каналов) и вспомогательное стекло, из которого выполнено МО. Существуют также необрамленные МКП, то есть без МО.

Благодаря специальному отжигу в водороде происходит термоводородное восстановление (ТВВ) оксида свинца PbO в составе ССС до металлического состояния Pb. Восстановление происходит, преимущественно, в поверхностном слое ССС, благодаря чему стенки каналов приобретают необходимую электропроводность.

На торцы МКП методом термического испарения в вакууме наносят металлические (хром, нихром) контактные электроды (КЭ), к которым подводится питающее напряжение минусом к входной стороне МКП и плюсом к выходной. Толщина КЭ составляет примерно 0,2—0,4 мкм. На входе и на выходе металлизацию заглубляют на небольшую величину в каналы.

Каналы МКП обычно наклонены на некоторый угол (4—13 градусов) относительно нормали к торцам. Наклон каналов существенно ослабляет ионную и фотонную обратную связь при работе МКП в качестве усилителя.

Базовым элементом МКП является трубчатый канал диаметром d, длиной l и калибром α = l/d. В поверхностном слое канала формируется резистивно-эмиссионный слой (РЭС) толщиной 200—300 нм, состоящий, в первом приближении, из двух слоев: верхнего очень тонкого (порядка 10 нм) эмиссионного слоя (ЭС) на основе кремнезема SiO₂, почти диэлектрического, обеспечивающего вторичную электронную эмиссию, и нижнего, более толстого, резистивного слоя (РС), в котором сосредоточен восстановленный свинец, благодаря чему РС обладает электропроводностью.

Вся конструкция должна быть механически прочной, с максимально-совершенной геометрической структурой каналов и минимумом структурных дефектов. Жесткие требования предъявляются к гладкости и чистоте поверхностей торцов и каналов.

Работа МКП

Работа МКП основана на принципе канального вторичноэмиссионного умножения электронов.

На канал подается через КЭ напряжение питания $U$. Благодаря этому по РС в осевом направлении течет ток проводимости $I$_n = $U/R$, а во внутреннем пространстве канала возникает однородное электрическое поле с линейно нарастающим (в отсутствие электронной лавины) потенциалом φ($x$) = $U$_x$/l$. Напряженность этого поля $E = U/l$ направлена по оси канала от выхода ко входу. Это поле несколько искажается на входе и выходе канала (краевой эффект): характер поля здесь зависит от величины заглубления КЭ и внешних электрических полей.

Влетающий в канал электрон (или иная заряженная частица) вблизи входа сталкивается с поверхностью, осуществляя первое соударение. При этом, в среднем, выбивается σ₁ > 1 вторичных электронов (коэффициент вторичной электронной эмиссии, КВЭЭ при первом соударении). Вылетающие при этом вторичные электроны (ВЭ) имеют определенное энергетическое и пространственное распределение. В пространстве ВЭ распределены по закону косинуса, энергетическое распределение характеризуется максимумом при энергиях 1—3 эВ.

Попав в электрическое поле канала, вторичный электрон набирает энергию, увеличивает под действием осевой силы $F = eE$ продольную (осевую) составляющую скорости $v$_x, смещается вдоль канала к выходу, набирает энергию, а под влиянием поперечной составляющей начальной скорости $v$_0y, на которую поле в канале не действует, он в то же время смещается и поперечно. В общем случае траекторией вторичного электрона является парабола, вид которой определяется начальными условиями (энергией и углом вылета электрона) и напряженностью поля в канале. В результате ВЭ вновь сталкиваются со стенкой и вновь генерируют вторичные электроны.

Указанный процесс повторяется многократно, и по каналу, умножаясь, быстро продвигается электронная лавина, которая через время порядка 10⁻⁹ с оказывается на выходе канала. Число выходящих из канала электронов $M$ >> 1 от попадающего в канал одного электрона и есть коэффициент усиления канала.

Анализ показывает, что коэффициент усиления $M$ зависит от напряжения питания $U$ (напряженности поля в канале $E$), калибра канала α, вторичноэмиссионных свойств ЭС и некоторых других факторов. При напряжениях питания порядка 1000 В легко достигаются усиления порядка 10⁴. При больших напряжениях (2000—3000 В) коэффициент усиления может достигать значительной величины 10⁶—10⁷.

Особенности МКП

Уникальность МКП состоит в том, что в единую компактную конструкцию в виде пластины объединено огромное число (несколько миллионов) регулярно размещенных и практически идентичных по геометрии и вторичноэмиссионным свойствам микроканальных усилителей. МКП, в целом, характеризуется высокой детектирующей и усилительной способностью, высоким пространственным разрешением (определяемым шагом каналов), высоким быстродействием, самонасыщенем усиления, удобством управления усилением, магнитоустойчивостью (благодаря малым скоростям и коротким траекториям электронов) и др.

Основные применения МКП

Благодаря комплексу уникальных свойств МКП все шире используются в самых различных областях науки и техники.

Основное применение МКП находят в приборах ночного видения (ПНВ). МКП — сновной функциональный элемент электронно-оптических преобразователей (ЭОП), используемых в приборах ночного видения (ПНВ). ЭОП, снабженный объективом, окуляром и источником питания представляет собой ПНВ. Основное назначение ПНВ — наблюдения, разведка, обеспечение вождения техники, обеспечение прицеливания в условиях пониженной освещенности на местности.

Функция распределения яркости по поверхности объекта $B$₀(х, у), несущая информацию об объекте, с помощью объектива ПНВ превращается в функцию распределения освещенности $E(x,y)$ на фотокатоде ЭОП: на фотокатоде создается оптическое изображение объекта наблюдения.

С помощью фотоэлектронной эмиссии оптическое изображение объекта на фотокатоде преобразуется в электронное, распределение плотности фотоэмиссионного тока j₁(x, y). Электронное изображение с фотокатода фотоэлектронами передается на входную плоскость МКП и создает там распределение электронного потока j₁(x, y). Поскольку отверстия каналов занимают не всю площадь входа (прозрачность входа $w$ обычно около 0,6), то часть электронов на входе теряется, остальные поступают в каналы, усиливаются, и в выходной плоскости МКП создается усиленное электронное изображение j₂(x, y)=Mj₁(x, y), причем коэффициенты усиления каналов предполагаются совершенно одинаковыми. Это электронное изображение передается на люминесцентный экран, где и преобразуется в оптическое распределение яркости B_э(x, y), то есть визуализуется. При этом общее усиление по яркости B_э/B₀ достигает десятков тысяч, что и позволяет наблюдать объекты в условиях естественной ночной освещенности на местности.

Благодаря зависимости коэффициента усиления от напряжения питания, МКП используется в системе автоматической регулировки яркости (АРЯ) выходного экрана ЭОП в условиях достаточно высоких входных освещенностей (например, в условиях полнолуния). Принцип действия АРЯ: в цепь экрана ЭОП вводят резистор, по которому течет ток экрана (выходной ток МКП). Падение напряжения на резисторе используется как управляющее для снижения напряжения на МКП и, следовательно, её усиления.

Каналы МКП обладают уникальным свойством самонасыщения усиления при увеличении выходного тока. Это эффективно подавляет локальные по площади световые помехи (перегрузки), предохраняет оператора от ослепления, ЭОП от перегрузок, улучшает комфортность наблюдений.

Миниатюрность МКП способствует существенному уменьшению габаритов и массы ЭОП и ПНВ в целом, что важно для переносной аппаратуры, например, очков ночного видения, легких стрелковых прицелов. Военная техника ночного видения с середины 70-х гг. 20 в. в значительной степени основана на ПНВ на микроканальных ЭОП. Прогресс в области ПНВ и ЭОП существенным образом определяется прогрессом в области МКП. В свою очередь, развитие направления МКП стимулируется и направляется потребностями обеспечения и развития техники ночного видения. В настоящее время (2009 г.) МКП находят применение в ЭОП 2 поколения (инверторных), а также 2+, 3 и 3+ поколения (бипланарных).

Применение МКП не ограничивается техникой ночного видения. МКП используют в различных нестандартных ЭОП и оптико-электронных устройствах физико-аналитической аппаратуры. МКП с успехом используются в самых различных сферах и областях науки и техники: экспериментальной физике, аэрокосмической технике, атомной технике, неразрушающем контроле качества, биологии, экологии, медицине, астрономии и др.

Возможно построение электронно-оптических приборов для получения изображений, например, в рентгеновских лучах, в гамма-лучах, нейтронах. В этом случае МКП используется в комбинации со специальным катодом-преобразователем входных частиц (квантов) в электроны. Рентгеновские ЭОП с МКП широко используются в медицине для диагностики злокачественных опухолей. «Гамма-визоры» на МКП-приборах незаменимы для бесконтактного обследования зараженных радиоактивных местностей. Приборы наблюдения на микроканальных ЭОП (по типу ПНВ) эффективны для бесконтактного контроля высоковольтных линий передач путем визуализации разрядных утечек тока из-за нарушения качества изоляции. Благодаря сверхвысокому быстродействию, МКП-приборы находят важные применения в ядерной физике, физике плазмы, для изучения быстропротекающих процессов.

МКП, которые используют в физико-аналитической аппаратуре, отличаются разнообразием конструкций: круглые, квадратные, прямоугольные, полосковые, с центральным отверстием и др.

Уникальная многоканальная структура МКП может быть использована и в нетрадиционных применениях, например, в качестве фильтров-поглотителей ядовитых примесей выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, фильтров-опреснителей морской воды, биологических чипов и др. Сфера применений МКП непрерывно расширяется.

Вход МКП обладает определенной чувствительностью и к падающим частицам (ионам) и энергетическим квантам (ультрафиолет, рентген, гамма-кванты). для увеличения чувствительности вход каналов часто запыляют подходящим эффективным материалом. В этом случае вход каналов действует как детектор-преобразователь. За счет ионно-электронной, или фотоэлектронной эмиссии падающие частицы или кванты стимулируют эмиссию электронов на входе, которые затем обычным образом умножаются в каналах.

Это позволяет использовать МКП не только как электронный усилитель, но и как детектор-преобразователь-усилитель-счетчик входных событий (частиц, квантов), а многоканальная структура пластины позволяет осуществлять координатную привязку событий, что, в частности, позволяет идентифицировать положение объектов-источников в пространстве. Этот принцип используются в координатно-чувствительных детекторах (КЧД), конструкции и типы которых отличаются большим разнообразием.

Основные производители МКП

• Hamamatsu Corporation (Япония)
• Del Mar Photonics, Inc. (США)
• Burle Industries Inc. (США)
• PHOTONIS Group (Нидерланды — Франция — США)
• North (Nanjing) Instrument Technology Industries Group (Китай)
• ООО Владикавказский Технологический Центр «Баспик» (Россия)

Ссылки

• Microchannel Plate Principles of Operation
• Микроканальные пластины

Для улучшения этой статьи желательно?: Добавить иллюстрации.