РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 10, с. 1104-1108
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 621.383.8
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОМ СПОСОБНОСТИ
КАНАЛОВ МИКРОКАНАЛЬНЫХ ПЛАСТИН, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ТЕХНИКЕ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ © 2015 г. И. Н. Гончаров1,2, Е. Н. Козырев1
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) Российская Федерация, 362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44 2Северо-Осетинский государственный университет имени К.Л. Хетагурова Российская Федерация, 362025, Владикавказ, ул. Ватутина, 44-46 E-mail: goncharov-scgtu@mail.ru Поступила в редакцию 09.06.2014 г.
Предложены подходы к моделированию поведения вторичных электронов в каналах микроканальных пластин (МКП) с различной формой сечения. Представлены возможные варианты нарушения сечения каналов, допускаемые в производстве МКП. Исследовано влияние нарушенной в пределах технологических допусков формы сечения каналов на их усилительную способность.
DOI: 10.7868/S0033849415080057
Качество изображения электронно-оптических преобразователей, используемых в технике ночного видения, в значительной степени зависит от правильности и идентичности форм сечений отдельных трубчатых каналов микроканальных пластин (МКП) — вторично-электронных умножителей электронного сигнала. Указанные факторы определяют усилительную способность каждого канала и ее распределение по пластине в целом.
Важную группу оптико-электронных систем визуализации инфракрасных изображений составляют приборы ночного видения (ПНВ), в которых в качестве приемника и преобразователя оптического сигнала ближнего И К-диапазона в видимое изображение применяют электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Данный электровакуумный прибор (см. рис. 1) предназначен для преобразования спектрального состава излучения и усиления яркости изображения. В его конструкции в качестве усилителя сигнала используют МКП (см. рис. 2).
Качество изготовления МКП в значительной степени определяет важнейшие параметры ЭОП, от которых зависит уровень электронного изображения и в конечном итоге дальность действия прибора ночного видения, построенного на его основе. Этими параметрами являются: коэффициент преобразования потока излучения; яркость тем-нового фона; коэффициент передачи контраста и пространственная частотно-контрастная характеристика; разрешающая способность, динамический диапазон облученности, в котором рабо-
тает ЭОП; напряжение питания и потребляемый ток ЭОП [1].
Микроканальная пластина представляет собой диск из свинцово-силикатного стекла и состоит из множества (700...1000 штук) идентичных микроканальных сот, спеченных вместе. Каждая сота в свою очередь включает до 5000.6000 штук регулярно уложенных и спеченных вместе идентичных миниатюрных трубчатых каналов диамет-
Рис. 1. Электронно-оптические преобразователи.
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ КАНАЛОВ
1105
Рис. 2. Микроканальная пластина в таре.
Рис. 3. Структура МКП и ее геометрические параметры: к — шаг структуры, 1 — диаметр канала, к — толщина перегородки.
ром от 5 до 10 мкм в зависимости от разновидности МКП. В процессе функционирования МКП по каждому из ее каналов проходит размножающаяся электронная лавина, общий коэффициент усиления сигнала на выходе МКП может достигать 10000 и более. На рис. 3 представлена структура МКП.
Инструментальный анализ показывает, что вследствие различных технологических воздействий форма сечения отдельных каналов МКП может отклоняться от круглой и принимать вид эллипса. Как правило, такое происходит у пограничных по многожильной структуре (МЖС) каналов [2]. На рис. 4 приведены фотографии фрагментов микроканальных пластин с нормальными и деформированными каналами, сделанные с использованием электронного микроскопа Leica. Очевидно, что распределение электрических полей, поведение вторичных электронов в таких каналах, условия их эмиссии со стенок при функционировании МКП будут носить особый характер. Это в свою очередь может повлиять на количество каскадов усиления в каналах, значения каскадных коэффициентов усиления, их вариации и в конечном итоге на усилительную способность подобных дефектных каналов, которая может отклоняться в большую либо меньшую сторону.
Очевидно, что подобное варьирование коэффициента усиления отдельных каналов и их групп приведет к ухудшению шумовых характеристик МКП, уровня ее разрешающей способности, а также чистоты поля зрения. Последний фактор проявится в появлении светлых и темных точек, а также элементов светлой и темной сотовой структуры. Фотография электронного изображения с наличием сотовой структуры приведена на рис. 5. Указанные дефекты в конечном итоге обуславливают снижение дальности действия прибора ноч-
ного видения, построенного на основе ЭОП с такой МКП.
В работе [3] показано, что усиление эллиптического канала надо рассматривать как усиление эквивалентного круглого канала с диаметром, определенным из условия равенства площадей сечений эллиптического и эквивалентного круглого каналов. Если а и b — большая и малая полуоси эллипса, то
S = nab, d3 = l4ab, аэ = l/d3,
где S — площадь сечения эллиптического канала, d — диаметр эквивалентного круглого канала, аэ — калибр канала, l — его длина.
Рис. 4. Фотография МКП, сделанная при помощи электронного микроскопа.
1106
ГОНЧАРОВ, КОЗЫРЕВ
Рис. 5. Элементы сотовой структуры на электронном изображении ЭОП.
Расчеты показывают, что dэ в большинстве случаев оказывается меньше диаметра каналов правильной формы, поэтому калибр дефектного канала больше. Канал с dэ превышающим диаметр канала правильной формы при определенных напряжениях на МКП — иМКП и выходных токах будет усиливать слабее каналов правильной формы. Поскольку видоизмененную форму имеют, как было отмечено выше, пограничные каналы МЖС, то возможно проявление дефекта чистоты поля зрения электронного изображения — "темной сотовой структуры", которая при росте иМКП может постепенно терять контраст и переходить в "светлую".
Изложенные в [3] представления получены на экспериментальном уровне и являются приближенными, они не всегда подтверждаются на практике и носят лишь качественный характер. В данной работе предложена математическая модель расчета коэффициентов усиления каналов МКП с правильной и нарушенной формой сечения, которая реализована в виде программного продукта. Ниже представлены и обобщены результаты расчетов, проведенных при помощи этой модели.
Математическая модель по расчету ускоряющего электрического поля канала, обеспечивающего усиление, была построена на основе уравнения Пуассона для электрического поля в вакууме
где V — дифференциальный оператор Лапласа, и— потенциал поля, р — плотность объемного заряда (суммарного заряда всех электронов в импульсе), е0 — электрическая постоянная.
Напряженность электрического поля в каналах МКП, образуемая внешним источником, высока и достигает значений порядка 1.8 х 106 В/м [3]. Поэтому суммарный электрический заряд электронов в канале при нормальном режиме работы пластины (т.е. не в режиме насыщения) практически не влияет на распределение электрического поля в нем. Тогда правую часть уравнения (1) можно приравнять к нулю и равнение (1) примет вид:
V 2и = 0. (2)
Уравнение (2) моделирует распределение электрического поля в канале МКП и для его решения прибегают к решению задачи Дирихле для уравнения Лапласа [4].
В качестве факторов, влияющих на граничные условия, необходимо указать следующие:
1) длину канала и его конфигурацию, т.е. сечение (круглое, эллиптическое правильной и неправильной формы эллипса с любыми значениями его большой и малой осей);
2) распределение потенциала вдоль стенки канала;
3) глубину металлизации во входной и выходной частях канала;
4) влияние внешних электрических полей, во входной и выходной частях канала.
Расчет траекторий первичных и вторичных электронов в канале МКП осуществляется на основе полученной информации о поле. При этом момент взаимодействия первичных электронов со стенкой, условия вероятностного вылета вторичных электронов и их количество будут определяться конфигурацией канала и его резистивно-эмиссионными свойствами [4, 5].
Движение электрона в электрическом поле описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка
№ йг
= - ^ т
йЪ --
- Еу
т
-- ^ т
Ух -
йг
У
йг
йх
йг' - йу йг' й, йг'
У - иу_
У, -
(3)
V 2и = -р ,
(1)
где dx, dy — приращения поперечных координат, dz — приращение продольной координаты, dt — приращение времени, Ух, V , Уг — проекции вектора скорости, Ех, Еу, Ег — рассчитанные из уравнения Пуассона проекции напряженности поля, е = 1.6 х
в
о
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ КАНАЛОВ 1107
Характеристики усиления сигнала у каналов с эллиптической формой сечения
Вид сечения и параметры канала, мкм Рассчитываемые ха-рактеристи-ки в = 0.22 в = 0.23 в = 0.24
ТТ В ТТ В мкп ТТ В мкп
600 700 800 900 600 700 800 900 600 700 800 900
эллипс правильной формы а = 5, Ь = 4.5, dэ « 9.5 Мср 129.2 503.8 1480.1 4697.5 300 1365.4 2370 7345 451.3 2089.2 5241.9 16758
Мср /М (9.5), % -18.3 -25.7 -15.8 -25.1 -2.7 -1.8 -24.8 -28.9 -25.3 -32.7 -13.9 -19.7
эллипс правильной формы а = 6, Ь = 4, dэ « 9.31 Мср 118.6 427.3 1214.2 2424.8 206.4 807.8 1875 4149 392.2 1132.5 3277 8374
Мср /М (9.5), % -24.7 -37 -44.7 -61.3 -65.6 -41.9 -40.5 -59.8 -35.1 -63.4 -46.2 -59.9
Мср /М (9.31), % -0.7 -35.1 -23.7 -56.4 -32.5 -37 -46.4 -63.2 -16.4 -65.9 -57.3 -60.2
эллипс неправильной формы а = 6, Ь = 4, dэ « 9.31 Мср 118 448.2 959.6 2355 200.2 900.3 1351.6 4615 326.8 1282.7 1635.1 7625.4
Мср/М (9.5), % -25.4 -33.9 -45.3 -62.4 -35.1 -35.3 -57.1 -55.3 -46.1 -58.5 -73.1 -63.5
Мср /М (9.31), % -1.1 -32 -39.8 -57.7 -34.4 -29.7 -61.4 -59 -30.1 -61.4 -78.7 -63.8
х 10 19 Кл — заряд электрона, т = 9.1 х 10 31 кг — масса электрона.
Последовательное решение уравнений движения для каждого электрона из их неламинарного потока (лавины) в условиях канала МКП и на его выходе позволяет в конечном итоге подсчитать количество вторичных электронов, преодолевших канал, и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.