ГИБРИДНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА ИЗДЕЛИЙ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ. Маринина_Статья. Гибридные фотоэлектронные приборы ультрафиолетового диапазона изделий специальной техники

• Название: Гибридные фотоэлектронные приборы ультрафиолетового диапазона изделий специальной техники
• Анкор: ГИБРИДНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА ИЗДЕЛИЙ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
• Дата: 12.05.2023
• Размер: 0.63 Mb.
• Имя файла: Маринина_Статья.docx
• Тип: Документы; #1125688

УДК 621.383
к.т.н., Л. А. Маринина, к.т.н., П. Н. Агунькин
ГИБРИДНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА ИЗДЕЛИЙ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
(Филиал Военной академии материально-технического обеспечения

г. Пенза)
Аннотация. В статье рассмотрены гибридные фотоэлектронные приборы ультрафиолетового диапазона отечественного производства, приведены схемы, технические характеристики, графики спектральной чувствительности, области применения и приоритетные направления развития в создании фотоприемных устройств ультрафиолетового диапазона.

Ключевые слова: электронно-чувствительного прибор с зарядовой связью, спектральная чувствительность фотокатода, солнечно-слепой, электронно-оптический преобразователь.
Разработка всепогодных оптико-электронных средств, работающих в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра является важным направлением развития в области создания оптико-электронных информационных средств разведки, наблюдения, управления и наведения оружия [1]. Получение дополнительных информативных признаков объектов наблюдения возможно путем применения УФ телевизионных камер вследствие различий фоно-целевых контрастов УФ, видимого и инфракрасного диапазонов [2 – 4].

Одним из перспективных направлений улучшения качества сформированного низкоуровневого изображения в видимом, ближнем инфракрасном и УФ диапазоне является уменьшение в структуре фотоприемных модулей количества преобразований входного оптического сигнала в поток фотоэлектронов и обратно, а также изменение принципа усиления электронного потока (вместо размножения фотоэлектронов за счет вторичной эмиссии в каналах микроканальных пластин (МКП) использование размножения фотоэлектронов за счет ударной ионизации в кремнии электронно-чувствительной (ЭЧ) матрицы прибора с зарядовой связью (ПЗС) или ЭЧ матрицы комплементарной структуры металл – окисел – полупроводник (КМОП)) путем введения в структуру сверхвысоковакумного электронно-оптического преобразователя (ЭОП) кремниевой ЭЧ ПЗС (КМОП) с бомбардировкой фотоэлектронами утоненной обратной стороны матрицы. Специально разработанную ЭЧ ПЗС матрицу получают путем утонения электронно-чувствительной области матрицы ПЗС (КМОП) со стороны подложки до 10 – 20 мкм. Схема гибридного фотоэлектронного прибора (ГФП) на основе ЭЧ ПЗС, разработанного АО "ЦНИИ "ЭЛЕКТРОН" приведена на рисунке 1 [5, 6].

Рисунок 1. Схема гибридного фотоэлектронного прибора: 1 – входное окно, 2 – полупрозрачный фотокатод, 3 – ЭЧ ПЗС

Гибридный фотоэлектронный прибор ультрафиолетового «солнечно-слепого» диапазонаразработки АО "ЦНИИ "ЭЛЕКТРОН" представляет собойэлектровакуумное устройство на основе фотокатода и твердотельного элемента  ЭЧ ПЗС –матрицы (рисунок 2). В результате бомбардировки ЭЧ ПЗС -матрицы фотоэлектронами с энергией свыше 3кэВ происходит генерация электронно- дырочных пар в кремнии с усилением в несколько сот раз, что обеспечивает чувствительность ГФП на 1-2 порядка выше, чем твердотельные аналоги.

В ГФП весь сигнальный поток фотоэлектронов, вышедший из фотокатода, достигает матрицы, отсутствуют промежуточные преобразования сигнала. Это обеспечивает близкое к 1,1 значение шум-фактора, тогда как в фотоприемниках на основе ЭОП с микроканальными пластинами, сочлененных с матрицей ПЗС, шум-фактор 1,6 - 2. Кроме того, в ГФП отсутствуют волоконно-оптические элементы, снижающие радиационную стойкость прибора [7].

В приборе используется теллур-цезиевый (CsTe) фотокатод, который обеспечивает высокую степень «солнечной слепоты», снижает потребность в фильтре видимого излучения.

а)	б)
Рисунок 2. ГФП «солнечно-слепого» УФ диапазона: а) внешний вид; б) спектральная чувствительность

Таблица 1

Характеристики ГФП «солнечно-слепого» УФ диапазона

Характеристика	Значение
Спектральный диапазон, нм	200÷300
Квантовая эффективность фотокатода в максимуме, %	15–20 (31-42)
Спектральная чувствительность фотокатода в максимуме, мА/Вт	4 - 5
Напряжение фотокатода, кВ	13,1×9,8
Размер чувствительной зоны, мм	768×580
Размер пикселя, мкм	17×34
Спектральная чувствительность при λ=260-270 нм, В∙см2/Вт	1·107
При освещенности 2∙10-13 Вт/пиксель (3,4∙10-8 Вт/см2) и полосе пропускания 6,3 МГц:
- соотношение S/N	20 - 25
- глубина модуляции сигнала на мелких деталях (400 ТВЛ)	30 - 35
Пороговая освещенность Вт/пиксель (Вт/см2)	<7·10-16 (<1·10-10)
Диаметр устройства, мм (в герметичном исполнении)	60
Высота устройства, мм	23

На основе рассмотренного ГФП «солнечно-слепого» диапазона предприятием АО "ЦНИИ "ЭЛЕКТРОН" разработано фотоприемное устройство (ФПУ), которое представляет собой телевизионную камеру, включающую источники питания и электронику для обработки сигнала. Выходной сигнал сформирован в цифровом виде (рисунок 3).

	Габариты (без объектива), мм	80×80×100
	Напряжение питания, В	27
	Рабочий диапазон спектральной чувствительности фотокатода, нм	200÷300
Рисунок 3. Фотоприемное устройство на основе ГФП ультрафиолетового солнечно-слепого диапазона разработки АО "ЦНИИ "ЭЛЕКТРОН"

Преимуществом является высокая чувствительность ФПУ, превосходящая в 50 – 100 раз чувствительность в УФ-области аналогичных ПЗС- и КМОП-камер. Регулировка чувствительности путём изменения напряжения между фотокатодом и матрицей увеличивает до пяти порядков динамический диапазон облученности.

Возможные области применения: малогабаритная телевизионная аппаратура; системы наблюдения в условиях воздействия естественных и организованных оптических помех; регистрация коронных разрядов на линиях электропередач, регистрация утечки газов, обнаружение пятен разливов нефти, обнаружение замаскированных объектов на фоне растительности, грунта, снежного покрова и др.
Солнечно-слепые фотоприемные модули ФПУ -4А, ФПУ -4П
Производство ГФП находится на стадии освоения, наибольшее применение получили фотоприемные модули на основе ЭОП, состыкованного с фоточувствительной (ФЧ) матрицей ПЗС (КМОП) (рисунок 4).

Рисунок 4. Схема фотоприемного модуля на основе ЭОП, состыкованного с матрицей ПЗС (КМОП): 1 – входное окно с ОЭС-фотокатодом, 2 – МКП, 3 – волокон- но-оптический элемент с катодолюминесцентным экраном ЭОП, 4 – фокон, 5 – матрица ФЧ ПЗС (КМОП)

Цифровые фотоприемные устройства ФПУ-4А, ФПУ -4П предприятия «ЦНИИ «Электрон» предназначены для преобразования оптического изображения в УФ области спектра в телевизионный сигнал в широком диапазоне облучённости на входе (рисунок 5) [7]. ФПУ-4П и ФПУ-4А представляют собой фоточувствительные устройства с блоком управления и обработки сигнала, состоят из двухкаскадного усилителя на двух ЭОП 2+ поколения, сочлененных через прямой волоконно-оптический контакт со специальной широкоформатной матрицей с кадровым переносом. Для блокировки видимого диапазона спектра излучения использован комбинированный полосовой фильтр. В ФПУ4А реализована возможность стробирования по электронному затвору входного ЭОП. Регулировка усиления осуществляется изменением усиления двух ЭОП.

а)	б)
Рисунок 5. ФПУ-4А: а) внешний вид, б) спектральная чувствительность

Основные параметры и эксплуатационные характеристики модулей приведены в таблице 2. Число пикселей фоточувствительного прибора с переносом заряда (ФППЗ) для ФПУ-4А и ФПУ-4П составляет – 1024 × 1024 и 760 × 580 соответственно.

Таблица 2

Характеристики ФПУ-4А, ФПУ-4П

Наименование параметра, единица измерения ФПУ-4А ФПУ-4П Диапазон спектральной чувствительности, нм 230 ÷ 310 230 ÷ 310 Выходной сигнал при рабочей облученности 5×10-9 Вт/см2 на длине волны 280 нм, мВ >100 >100 Отношение сигнал / шум при рабочей облученности, раз >10 >10 Монохроматическая чувствительность на длине волны 280нм, В·см2/Вт >2×107 >2×107 Пороговая облученность на длине волны 280 нм, Вт/см2 <5×10-10 <5×10-10 Темновой сигнал, мВ/с <100 <100 Число элементов ФППЗ 1024 × 1024 760 × 580 Режим стробирования, нс, не менее 10 - Постоянное напряжение питания модуля, В 27±1 27±1

Основные области применения:

 оптико-электронные средства разведки [2 - 4];

 астрономические наблюдения;

 оптоэлектронная локация;

 медико-биологическая аппаратура регистрации однофотонных событий;

 исследование люминесценции и флуоресценции;

 высокочувствительная микроскопия;

 обнаружение утечек электроэнергии на линиях электропередач;

 регистрация ионизации газов.

Сравнительный анализ характеристик гибридного фотоэлектронного прибора и фотоприёмных модулей УФ диапазона предприятия «ЦНИИ «Электрон» показал явные преимущества ГФП по значениям чувствительности, пороговой освещенности, отношению сигнал / шум.

К числу приоритетных направлений исследований при разработке методов и средств построения ФПУ ультрафиолетового диапазона можно отнести:

 разработку технологических методов создания высокоэффективных полупроводниковых фотокатодов для ультрафиолетовой (150…350 нм) области спектра;

 разработку способов изготовления нового поколения малошумящих микроканальных пластин с высоким пространственным разрешением на основе «кремниевых» микроэлектронных технологий;

 разработку основ технологии электропрочных люминофорных экранов с высоким пространственным разрешением;

 разработку физико-технологических методов создания полноформатных (106 элементов) электронно-чувствительных ПЗС-матриц;

 разработку высокочувствительных новейших процессорных средств и алгоритмов обработки оптической информации [1].

Дальнейшая разработка научно-технических принципов создания эффективных всепогодных ОЭС, работающих в УФ диапазоне спектра, с повышенной помехозащищенностью и сниженными массогабаритными характеристиками является одним из основных направлений развития технологий вооружения, военной и специальной техники ВВСТ.

Список литературы

1. 
   Буренок В. М., Попов С.В., Афанасов Д.С. Состояние и перспективы развития оптики, квантовой электроники и фотонных технологий применительно к оборонной сфере. "Известия Российской Академии Ракетных и Артиллерийских Наук". Выпуск 114. 2020г. С.3–15. Режим доступа: http://www.iraran.ru/arhiv_raran/2020/vypusk_114/ (дата обращения: 5.11.2021).
   
2. 
   Маринина Л. А., Варавкин А.С. Повышение информативности ведения разведки путем обеспечения подразделений телевизионными приборами ультрафиолетового диапазона. Вестник Военной академии материально-технического обеспечения им. генерала армии А.В.Хрулева. 2018. № 3 (15). С. 76 – 80.
   
3. 
   Бондаренко А. В., Бондаренко М. А., Котцов В. А. Новые возможности применения цифровых камер расширенного спектрального диапазона. Материалы всероссийской научно-технической конференции «ТЗСУ-2019» – М.: ИКИ РАН, 2019 г. С. 1 – 10.
   
4. 
   Бондаренко М. А., Бондаренко А. В. Формирование изображений в мультиспектральных видеосистемах для визуального и автоматического неразрушающего контроля // Успехи прикладной физики – М.: АО «НПО «ОРИОН», 2018, Т. 6, № 4, С. 325 – 332.
   
5. 
   Балясный Л. М., Балашов А. Б., Гордиенко Ю. Н., Грузевич Ю. К., Миронов Д. Е., Петров А. Э., Татаурщиков С. С. Высокочувствительный гибридный фотоприемный модуль на основе фотокатодов с отрицательным электронным сродством и матриц ПЗС (КМОП) с электронной бомбардировкой тыльной стороны. Прикладная физика, 2018, № 4. С. 74 – 78.
   
6. 
   М. Р. Айнбунд, О. В. Алымов, Е. Б. Андреева, И. С. Васильев, Е. Е. Левина, А. В. Пашук, С. А. Плахов, И. А. Свищёв, О. В. Чернова. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 1 (235) 2015, С. 13 – 16.
   
7. 
   ФПУ на основе высокочувствительного гибридного ТВ прибора для УФ диапазона. Электронный ресурс: http://www.niielectron.ru/product/fpu-na-osnove-vysokochuvstvitelnogo-gibridnogo-tv-pribora-dlya-uf-diapazona/. (Дата обращения 1.10.2022 г).