Повышение качества бипланарных электронно-оптических преобразователей по параметру "отношение сигнал-шум" за счет разработки новых технологических режимов операции финишной обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Коновалов, Павел Игоревич

• Коновалов, Павел Игоревич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коновалов, Павел Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ШУМА БИПЛАНАРНЫХ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ. 8 1.1 Анализ конструкции бипланарных электронно-оптических преобразователей и их параметров.

1.2. Анализ основных типов шумов в бипланарных электронно-оптических преобразователях.

1.3. Обзор путей и методов понижения ионно-обратной связи в бипланарном электронно-оптическом преобразователе.

1.4. Технологический маршрут производства электронно-оптического преобразователя поколения 2+. Операция финишной обработки ЭОП.

1.5. Постановка целей и задач.

ГЛАВА 2.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРА ШУМА МИКРОКАНАЛЬНОЙ ПЛАСТИНЫ.

2.1. Разработка математической модели фактора шума МКП. с учетом параметров работоспособности МКП.

2.2. Ионизация остаточных газов.

2.3. Изучение электронно-стимулированной десорбции ионов из каналов МКП.

2.3.1. Методика и результаты измерения интенсивности ЭСД МКП при совмещении электронного обезгаживания с термическим.

2.3.2. Анализ экспериментальных данных.

2.3.3. Методика и результаты измерения коэффициента вторичной электронной эмиссии резистивно-эмиссионного слоя канала МКП.

2.4. Учет результатов экспериментальных данных в модели фактора шума микроканальной пластины.

ГЛАВА 3.

РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ АГРЕССИВНОЙ ТРЕНИРОВКИ МИКРОКАНАЛЬНОЙ ПЛАСТИНЫ.

3.1. Операция «тренировка микроканальной пластины».

3.2. Расчет энергии первичных электронов при коэффициенте вторичной электронной эмиссии равным единице.

3.3. Расчет зависимости энергии электронов в момент удара от напряжения питания микроканальной пластины.

3.4. Экспериментальная отработка разработанного режима тренировки МКП.

ГЛАВА 4.

ДАЛЬНЕЙШИЕ ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ

ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ-ШУМ.

4.1.Анализ влияния ключевых технологических операций на. эксплуатационные параметры и шумовые характеристики. электронно-оптического преобразователя.

4.2. Пути повышения интегральной чувствительности фотокатода.

4.2.1. Выбор дополнительных контрольных сигналов.

4.2.2. Использование интерференционного усиления квантового выхода фотокатода.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение качества бипланарных электронно-оптических преобразователей по параметру "отношение сигнал-шум" за счет разработки новых технологических режимов операции финишной обработки»

Научно-технический прогресс в настоящее время во многом определяется уровнем развития электронной техники, в том числе, и вакуумных электронных приборов. Одним из наиболее сложных и дорогих приборов вакуумной электроники является электронно-оптический преобразователь, технологией изготовления которого обладают всего несколько стран в мире [45,46].

Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) являются основным элементом широкого ряда современных электронных приборов: детекторов сверхбыстрых процессов, астрономических телескопов, приборов ночного видения гражданского и военного назначения.

Электронно-оптический преобразователь был изобретен в 1934г. голландским ученым Холстом [1]. В середине ЗОх годов 20 века были начаты работы отечественных ученых по разработке основ теории и инженерного построения ЭОП для техники ночного видения. Значительный вклад в создание электронно-оптических преобразователей новых поколений и разработку технологических процессов их производства внесли академик С.И.Вавилов, член-корреспондент Академии Наук СССР П.В.Тимофеев, профессор В.И. Красовский, профессор М.М. Бутслов.

Работы по конструированию, разработке технологии и оборудования для производства волоконно-оптических пластин (ВОП) и микроканальных пластин (МКП), а также ЭОП на их основе, велись, начиная с 70х годов прошлого столетия, в Государственном Оптическом институте (ГОИ) имени С.И.Вавилова, на Лыткаринском заводе Оптического стекла (ЛЗОС), на заводе «Гран» (г.Владикавказ), заводе «МЭЛЗ» и в Саратовском НИИ Машиностроения. В этих работах активное и плодотворное участие принимали Д.К.Саттаров, В.Н.Полухин, С.А.Ушаков, С.К.Кулов, Е.А.Красовский, Д.С.Соколов, И.Н.Зайдель и многие другие талантливые ученые и инженеры [1, 59, 61].

В настоящее время только в нашей стране объем выпуска ЭОП достигает 50 тысяч штук в год и продолжает расти. Более 75% этих приборов составляют бипланарные электронно-оптические преобразователи, выпускаемые ОАО «Катод», ОАО «НПО-Геофизика-НВ», ОАО «Экран-ОС», ООО «МЭЛЗ-ЭВП».

Производство бипланарных ЭОП поколений 2+ и 3 характеризуется сложными технологическими процессами: изготовление составляющих элементов (микроканальных пластин, волоконно-оптических пластин, металлокерамических корпусов с высокой вакуумной и электрической прочностью); нанесение катодолюминесцентных экранов и пленок различных материалов микронных и субмикронных толщин; формирование фотокатода, обезгаживание и тренировка МКП с последующей герметизацией, осуществляемые в едином вакуумном цикле (операция финишной обработки).

Качество готовых приборов определяется рядом выходных параметров. Одним из важнейших параметров ЭОП, особенно, предназначенных для техники ночного видения, является отношение сигнал-шум [47,48], характеризующее способность прибора детектировать объект наблюдения.

Как показали исследования, основным источником шума бипланарных ЭОП, влияющим на отношение сигнал-шум, являются процессы электронно-стимулированной десорбции и ионно-электронной эмиссии, протекающие в каналах микроканальной пластины.

Существующие методы снижения отрицательного влияния этих процессов на качество ЭОП основаны на блокировке шумовых заряженных частиц и не связаны со снижением интенсивности обозначенных процессов, что, в конечном итоге, выражается в потере других параметров качества электронно-оптического преобразователя. Вопрос снижения интенсивности шумовых процессов, протекающих в микроканальной пластине в составе ЭОП, остается открытым.

Оценка шумовых характеристик МКП осуществляется с помощью понятия фактор шума. В процессе производства электронно-оптического преобразователя на фактор шума оказывают влияние режимы операции финишной обработки ЭОП, включающей в себя термическое и электроннолучевое обезгаживание МКП.

Таким образом, разработка новых технологических режимов операции финишной обработки является актуальной проблемой, решение которой приведет к повышению качества ЭОП при неизменной себестоимости изделия, что значительно повысит конкурентоспособность отечественных ЭОП на мировом рынке.

Целью работы является повышение качества ЭОП поколения 2+ по параметру «отношение сигнал-шум» за счет разработки новых технологических режимов операции финишной обработки.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: разработка математической модели влияния параметров работоспособности METI и технологических параметров финишной обработки на фактор шума МКП в составе ЭОП; экспериментальные исследования влияния технологических параметров операции финишной обработки на фактор шума МКП в составе ЭОП; разработка технологических режимов, обеспечивающих повышения отношения сигнал-шум электронно-оптического преобразователя; экспериментальное исследование эффективности новых технологических режимов.

Работа выполнена на основе результатов исследований Шагена [21], Бела [24], Ю.Р.Степаньянца [55], Р.А.Невшупы [33-35], Д.С.Соколова [1], И.Н.Зайделя [1,11,12], Е.И.Шехмейстера [13,17]; базируется на положениях квантовой и оптической электроники, вакуумной и плазменной электроники, технологии производства электровакуумных приборов, статистической физики и д.р.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам Института материалов Мадрида и ООО «МЭЛЗ-ЭВП» Р.А.Невшупе, Е.К.отап, Н.К.Литвиной, Д.С.Соколову, С.В.Куклеву, С.В.Зелеранскому за предоставленную возможность проведения экспериментальных работ и всестороннюю помощь и поддержку.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Коновалов, Павел Игоревич

ВЫВОДЫ

1) Показано, что основным источником шума биплан арных ЭОП являются процессы электронно-стимулированной десорбции и ионно-электронной эмиссии, протекающие в каналах микроканальной пластины. Существующие методы снижения отрицательного влияния этих процессов на качество ЭОП основаны на блокировке шумовых заряженных частиц и не связаны со снижением интенсивности обозначенных процессов, что, в конечном итоге, выражается в ухудшении других параметров качества электронно-оптического преобразователя.

2) Исследования показали, что ионизация остаточных газов в приборе не оказывает существенного влияния на шумовые характеристики ЭОП. Расчет по водороду показал, что за период времени, соответствующий постоянной времени глаза, количество электронов, эмитированных фотокатодом в результате ионно-электронной эмиссии на пять порядков меньше количества термоэлектронов.

3) Показано, что в процессе производства электронно-оптического преобразователя наибольшее влияние на фактор шума МКП оказывает операция финишной обработки ЭОП, на которой реализуется термическое и электронно-лучевое обезгаживание МКП.

4) Для уменьшения фактора шума МКП в составе ЭОП рекомендовано проводить электронно-лучевое обезгаживание микроканальной пластины совместно с термическим.

5) Экспериментально получены зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии и интенсивности электронно-стимулированной десорбции от температуры совмещенного обезгаживания, из которых следует, что увеличение температуры, при которой выполняется тренировка МКП, с 20С до 350С приводит к увеличению деградации КВЭЭ с 6% до 22% (эффект отрицательный), а такясе к снижению интенсивности электронной стимулированной десорбции в 7 раз (эффект положительный). Оптимальное значение температуры, при котором фактор шума в рабочем диапазоне напряжений питания МКП будет минимальным, составляет 200±20°С.

6) Экспериментально изучена зависимость интенсивности электронно-стимулированной десорбции водорода и воды от энергии первичных электронов. Разработана математическая модель влияния напряжения питания МКП на энергию электрона в момент удара, позволяющая управлять интенсивностью электронно-стимулированной десорбции для различных газов в процессе тренировки МКП. На основании этих исследований предложено напряжение на МКП во время тренировки изменять ступенчато — 550В, 650В и 710В, время выдержки на каждой ступени определяется моментом снижения давления в камере до исходного значения.

7) В процессе совмещенного обезгаживания МКП типа 18-8 рекомендуется:

- напряжение катодного смещения устанавливать на уровне 20-30В; значения тока на выходе МКП устанавливать по увеличению давления в камере на порядок.

8) Снижение фактора шума МКП в составе ЭОП за счет повышения КВЭЭ первого удара при сохранении тренировки МКП в НКУ возможно только до определенного значения напряжения питания МКП. При превышении этого значения напряжения фактор шума будет увеличиваться и достигать (или превышать) свое исходное значение. Использование технологических путей повышения КВЭЭ первого удара при использовании электронно-лучевого обезгаживания МКП совместно с термическим позволяет добиться максимального снижения фактора шума МКП в составе ЭОП во всем диапазоне напряжения питания МКП.

9) В результате внедрения предложенных режимов обработки МКП на финишной операции было достигнуто увеличение отношения сигнал-шум со среднего значения 20,68 до 23,16, т.е. на 12%; производительность установки финишной обработки выросла на 60%.

10) Для дальнейшего увеличения качества ЭОП рекомендуется:

- на операции формирования фотокатода контролировать помимо фототока коэффициент оптического отражения от поверхности фотокатода, сопротивление фотокатода, а также проводить масс-спектрометрический анализ остаточных газов, что позволит увеличить среднее значение квантового выхода фотокатода; при формировании фотокатода использовать свидетель на волоконно-оптической пластине, что позволит увеличить среднее значение интегральной чувствительности на 13,7%;

- при формировании фотокатода установить перед подложками экранирующую сетку, позволяющую получить развитую ячеистую поверхность фотокатода для увеличения квантового выхода за счет изменения угла входа излучения в фотоэмиссионный материал.

148

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коновалов, Павел Игоревич, 2010 год

1. Куклев, Соколов, Зайдель. Электронно-оптические преобразователи. М.: Издательство завода «МЭЛЗ». 2005. 187с.

2. Бутслов М.М., Степанов Б.М., Фанченко С.Д. Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных исследованиях. М.: Наука. 1978. 432с.

3. Мацковская Ю.З. Методы контроля приборов ночного видения. Справочное пособие. М.: Горячая линия-Телеком. 2003. 96с.

4. ГОСТ 21815.19-90. Преобразователи электронно-оптические. Методы измерения отношения сигнал-шум. М., 1990. 17с.

5. Bruce N. Laprade, Scott T. Reinhart and Maureen Wheeler A low noise figure microchannel plate optimized for Gen III image intensification systems // Electron Image Tubes and Image Intensifiers. 1990. SPIE Vol. 1243. P.162-182.

6. Гончаров И.Н. Разработка модели нейтрализации обратных ионных потоков и ее применение в САПР электронно-оптических преобразователях: дис. . канд. техн. наук. Владикавказ. 1999. 156с.

7. Экарт. Электронно-оптические преобразователи и усилители рентгеновского изображения. М.: Госэнергоиздат. 1961.240с.

8. Сушков. А.Д. Вакуумная электроника: физико-технические основы. Спб.: Издательство «Лань». 2004. 464с.

9. Рейхель Т., Иедличка М. Фотоэлектронные катоды. М.: Энергия. 1968. 160с.

10. Капцов Н.А. Электрические явления в газах и вакууме. М.: Гостехиздат. 1950. 649 с.

11. Берковский А.Г., Гаванин В. А., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. М.: Энергия. 1976. 344 с.

12. Зайдель И.Н., Куренков Г.И. Электронно-оптические преобразователи. М.: Советское радио. 1970.56с.13.