ГИБРИДНЫЙ ФОТОУМНОЖИТЕЛЬ
С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРОСТРЕЛЬНЫМ ДИНОДОМ

Координатор: д-р физ.-мат. наук Терехов А. С.

Исполнители: Исполнители: ИФП, ИАиЭ СО РАН

Гибридный фотоумножитель предназначен для регистрации сверхслабых свечений в режиме счета одиночных фотонов с длиной волны в диапазоне 350 ÷900 нм. Коэффициент усиления традиционного гибридного фотоумножителя, состоящего из фотокатода и p-i-n диода, лежит в диапазоне 103 ÷ 104, что недостаточно для многих применений, где необходимо детектирование одиночных фотонов.

Для расширения области применения таких приборов необходимо увеличить коэффициент усиления до ~ 105. Для этого авторами проекта предложено использовать полупроводниковый прострельный динод (ППД). Эмитированный фотокатодом первичный электрон ускоряется в вакуумном промежутке до энергии в несколько килоэлектрон-вольт и сталкивается с динодом. Торможение первичного электрона в диноде сопровождается генерацией вторичных электронов (рис. 1). Для генерации одного вторичного электрона в полупроводнике затрачивается ~4 эВ энергии первичного электрона. Вторичные электроны диффундируют к противоположной поверхности динода, эффективное электронное сродство которой снижено до отрицательного значения путем адсорбции монослоя цезия с небольшой добавкой кислорода. Отрицательное электронное сродство приводит к тому, что значительная часть (~30 %) достигших поверхности вторичных электронов выходит в вакуум. Поскольку толщина динода в 2—3 раза меньше диффузионной длины вторичных электронов, то коэффициент усиления динода может достигать ~ 3 × 102 и более. Фактор шума динода не превышает 1,3, а время отклика ~2 × 10-10 с.

Рис. 1. Конструкция гибридного фотоумножителя. 1 - GaAs-динод.

Fig. 1. Design of the hy-brid photo multiplier. 1 - GaAs-динод

Главным препятствием на пути использования ППД в гибридном фотоумножителе является низкая механическая прочность тонкой, толщиной ~ 1 мкм кристаллической мембраны из арсенида галлия. Для преодоления этого препятствия мы предложили разработать технологию изготовления сеточного основания из арсенида галлия и закрепить мембрану на этом основании. Совпадение коэффициентов термического расширения мембраны и сеточного основания исключает генерацию структурных дефектов в мембране или хрупкое разрушение динода при технологических операциях. Технологией, позволяющей создать сеточное основание из арсенида галлия с необходимой механической прочностью и достаточной прозрачностью для электронов, является анизотропное лазерное фотохимическое травление арсенида галлия. Для реализации этой технологии был разработан лазер на переходах в ионах аргона, излучающий 5 Вт в диапазоне длин волн 333 ÷ 364 нм и обеспечивающий плотность светового потока ~ 1 Вт/см2 на площади 3 ÷ 4 см2.

На основе лазера был создан стенд лазерного фотохимического травления. Проточная ячейка с системой стабилизации температуры травителя обеспечивала поддержание оптимального режима травления при изменениях мощности излучения лазера. Контроль однородности травления базировался на зависимости яркости фотолюминесцентного свечения арсенида галлия в донцах каналов от их толщины. Распределение свечения считывалось ПЗС-матрицей, вводилось в ЭВМ и использовалось для управления пространственным распределением интенсивности излучения в лазерном пучке. C использованием технологии фотохимического травления были созданы сеточные основания для прострельных динодов с эффективной прозрачностью для электронов, равной ~0,6. Тонкие мембраны из GaAs/AlGaAs закреплялись на сеточном основании путем диффузионной сварки в вакууме. Диноды данной конструкции обладали достаточной прочностью для их монтажа в металлокерамический корпус фотоумножителя. Одновременно с разработкой динода на сеточном основании был реализован способ закрепления мембраны из GaAs/AlGaAs на кольце из стекла с коэффициентом термического расширения, обеспечивающим слабое натяжение мембраны. Диноды с “рамкой” из стекла исключали поглощение ~40 % первичных электронов в сеточном основании, улучшая тем самым отношение сигнал/шум фотоумножителя. Финишная обработка узлов и герметичная сборка фотоумножителя выполнялись в трехкамерной сверхвысоковакуумной установке с базовым вакуумом ~10-9 Па с использованием технологии переноса. Каждый из трех базовых узлов фотоумножителя: анодный узел, динод и арсенид-галлиевый фотокатод, последовательно обрабатывались в индивидуальных технологических позициях, а затем с помощью манипуляторов переносились в позицию герметизации. В этой позиции три узла герметично соединялись друг с другом с помощью холодной (Tсв » 300 K) диффузионной сварки через деформируемые прокладки из сверхчистого индия. Внешний вид однокаскадного фотоумножителя с фотокатодом и прострельным динодом из арсенида галлия показан на рис. 2.

Рис. 2. Макет однокаскадного фотоумножителя

Fig. 2. Breadboard models of the one-cascade photo multiplier.

Испытания макетных образцов однокаскадных фотоумножителей с полупроводниковым прострельным динодом продемонстрировали увеличение коэффициента усиления на два порядка по сравнению с традиционным гибридным фотоумножителем и подтвердили возможность создания вакуумно-полупроводниковых фотоприемников для счета одиночных фотонов.

В связи с предполагаемой патентной защитой публикаций по проекту не было.

  В оглавление Далее