Микроканальная пластина

Изобретение относится к оптической и электронной промышленностям, в частности к производству специальных оптических стекол для изготовления микроканальных усилителей - микроканальных пластин (МКП). В изобретении решается задача улучшения характеристик МКП, увеличение срока службы МКП за счет свойств применяемых для ее изготовления стекол, включая повышение химической устойчивости стекла активной оболочки, снижения кристаллизационной способности стекол активной оболочки и растворимой сердцевины, повышения температуры размягчения и улучшения согласованности стекол по вязкости и термическому расширению. МКП выполнена из стеклянных волокон, содержащих активную оболочку из стекла, включающего SiO₂, PbO, Bi₂O₃, Sb₂O₃, As₂О₃, по крайней мере, один оксид из группы TiO₂, ZrO₂, Nb₂O₅, WO₃, ZnO, SrO, и, по крайней мере, один оксид из группы Al₂О₃, В₂О₃, К₂О, Rb₂O, Cs₂O при следующих соотношениях компонентов, мол.%: SiO₂ - 49-70, PbO - 10-27, В₂О₃ - 0,5-4, Al₂О₃ - 0,5-8, MgO, CaO, SrO, BaO - 1-13, ZnO - 1-11, TiO₂ - 1-8, ZrO₂ - 0,5-5, Nb₂О₅, WO₃ - 0,5-3, K₂O - 1-11, Rb₂O -0,4-3,0, Cs₂O - 0,4-2, Bi₂O₃ - 0,1-2, As₂O₃ - 0,1-0,6, Sb₂O₃ - 0,05-0,6. МПК содержит также растворимую сердцевину из стекла, содержащего, мол.%: SiO₂ - 6-51, В₂O₃ - 15-74, по крайней мере, один оксид из группы Al₂O₃ - 0,5-7, La₂O₃ - 0,5-7, по крайней мере, один оксид из группы As₂O₃, Sb₂O₃ - 0,1-0,6, а также, по крайней мере, один оксид из группы BaO, SrO, CaO, MgO, ZnO при следующем содержании: BaO - 0,5-32, SrO - 1-22, CaO - 1-16, MgO - 1-12, ZnO - 0,5-16. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к оптической и электронной промышленности, в частности к производству специальных оптических стекол для изготовления микроканальных усилителей - микроканальных пластин (МКП).

Микроканальная пластина представляет собой диск, в котором сделаны сквозные параллельные каналы диаметром 2-25 мкм, занимающие более 60% площади диска. Диск изготавливают из специального полупроводникового стекла или из стекла, содержащего оксид свинца, при термообработке которого в токе водорода на поверхности каналов образуется полупроводниковый слой, обладающий эмиссионными свойствами. На торцевые поверхности диска наносятся электроды, к которым подводится ток. При ударении электрона о стенку канала на входе, благодаря эмиссии вторичных электронов и приложенному потенциалу, происходит лавинный процесс нарастания потока электронов вдоль канала. В итоге, на выходе канала поток усиливается в 10⁴ и более раз. Микроканальные пластины (МКП) используются для конструирования электронно-оптических преобразователей (ЭОП), различных типов детекторов излучения.

Как известно, одними из важнейших условий повышения параметров МКП является снижение газонасыщенности и улучшение качества внутренних поверхностей микро-каналов.

Широко известны стекла для производства МКП, содержащие оксид свинца: авторское свидетельство СССР № 421047, М. Кл. Н 01 B 1/08, 22.08.74 г., патент Великобритании № 2120232, М.Кл. С 03 С 3/10. Н 01 J 43/04, 16.05.83 г.

Недостатком известных стекол является то, что они обладают низкой температурой трансформации T_g=452-523°С, в результате чего МКП, изготовленные из них, обладают низкой температурной устойчивостью, не позволяющей производить вакуумную дегазацию МКП при повышенной температуре.

Снижение газонасыщенности восстановленного слоя каналов МКП может быть обеспечено за счет использования новых стекол с повышенной температурой трансформации T_g на основе традиционных свинцово-силикатных систем, позволяющих производить термодегазацию МКП при повышенных температурах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым МКП и способу их получения являются МКП и способ, описанные в патенте США № 5015909, М.Кл. С 03 С, 3/108, U.S.Cl. - 313/103 R., 14.05.91 г.

Известные МКП по этому патенту изготавливаются из волокон, выполненных из стекол, которые содержат составляющие их компоненты в следующих соотношениях (мол %) - активная оболочка: SiO₂ - 58-68, Al₂O₃ - 0-2, K₂O+Rb₂O+Cs₂O - 0-3, PbO - 10-15, Bi₂O₃ - 0.3-2.1, MgO+CaO+BaO - 10-20.4, В₂O₃ - 0-4, As₂О₃+Sb₂О₃ - 0.1-1.1; растворимая сердцевина: SiO₂ - 35-43, В₂О₃ - 22-28, СаО - 0-6.5, ВаО - 20-32, ZnO - 0-3, Yt₂O₃ - 0-1.4, As₂O₃ - 0.5-0.6, Sb₂О₃ - 0.4-0.6, R₂O₃ - 2.3-10.4. Стекла имеют высокую температуру трансформации T_g=570-610°C. Однако они не обладают достаточно низкой кристаллизационной способностью, стекла активной оболочки и растворимой сердцевины трудно согласовать по термическому расширению и по вязкости, сохранив при этом их низкую кристаллизационную способность, высокую химическую устойчивость стекла активной оболочки и высокие значения T_g.

Эти недостатки стекол снижают возможности вакуумной дегазации МКП, снижают ее прочностные характеристики, усиление и однородность усиления каналов, уменьшают срок службы МКП.

Задачей настоящего изобретения является улучшение характеристик МКП, в первую очередь увеличения срока службы МКП. Технический результат достигается за счет улучшения свойств применяемых для изготовления МКП стекол, включая повышение химической устойчивости стекла активной оболочки, снижения кристаллизационной способности стекол активной оболочки и растворимой сердцевины, повышения температуры размягчения и улучшения согласованности стекол активной оболочки и растворимой сердцевины по вязкости и термическому расширению. Повышение температуры размягчения стекол позволяет повысить температуру вакуумной дегазации МКП и тем самым уменьшить газонасыщенность каналов и увеличить срок службы микроканальной пластины,

Поставленная цель достигается тем, что микроканальная пластина, выполненная из стеклянных волокон, содержащих активную оболочку, выполненную из стекла, включающего SiO₂, PbO, Al₂O₃, В₂O₃, BaO, MgO, CaO, К₂О, Rb₂O₃, Cs₂O₃, Bi₂O₃, As₂О₃, Sb₂O₃ и растворимую сердцевину, выполненную из стекла, содержащего SiO₂, В₂О₃, CaO, ZnO, BaO, R₂О₃, Sb₂O₃, As₂O₃, отличается от прототипа тем, что стекло активной оболочки дополнительно содержит, по крайней мере, один оксид из группы TiO₂, ZrO₂, Nb₂O₅, WO₃, ZnO, SrO, а также, по крайней мере, один оксид из группы Al₂О₃, В₂О₃, К₂О, Rb₂O, Cs₂O при следующих соотношениях компонентов (в мол.%): SiO₂ - 49-70, PbO - 10-27, В₂О₃ - 0.5-4, Al₂О₃ - 0.5-8, MgO, CaO, SrO, BaO - 1-13, ZnO - 1-11, TiO₂ - 1-8, ZrO₂ - 0.5-5, Nb₂О₅, WO₃ - 0.5-3, K₂O - 1-11, Rb₂O -0.4-3.0, Cs₂O - 0.4-2, Bi₂O₃ - 0.1-2, As₂O₃ - 0.1-0.6, Sb₂O₃ - 0.05-0.6, а стекло растворимой сердцевины содержит SiO₂, В₂О₃, по крайней мере, один оксид из группы BaO, SrO, CaO MgO, ZnO, по крайней мере, один оксид из группы Al₂О₃, La₂О₃, и, по крайней мере, один оксид из группы As₂О₃, Sb₂O₃ при следующих соотношениях: SiO₂ - 6-51, В₂O₃ - 15-74, BaO - 0.5-32, SrO - 1-22, CaO - 1-16, MgO - 1-12, ZnO - 0,5-16, Al₂O₃ - 0.5-7, La₂O₃ - 0.5-7, As₂O₃, Sb₂O₃ - 0.1-0.6.

С целью улучшения согласования стекол активной оболочки и растворимой сердцевины стекло растворимой сердцевины может дополнительно содержать, по крайней мере, один оксид из группы TiO₂, ZrO₂, К₂О при следующем содержании компонентов: ZrO₂ - 0.5-5, TiO₂ - 0.5-7, К₂О - 0.5-7.

Для упрощения сборки двухслойных одножильных и многожильных стержней при изготовлении МКП одно из стекол для сердцевины или оболочки окрашивают, вводя дополнительно в стекла, по крайней мере, один оксид из группы или их смесь: Cr₂О₃, Mn₂О₃, Fe₂O₃, CoO, NiO - 0.05-1.0.

В таблице 1 показаны стекла для изготовления активной оболочки каналов, а в таблице 2 - стекла для изготовления растворимой оболочки каналов.

Составы стекол для активной оболочки каналов МКП (мол%).

Таблица 1.
Оксид	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
SiO2	70	69	55	55.8	59	61	63	54.4	49	55	61.3	61.3
B2O3	0.5	-	-	-	2	4	2	-	1	-	-	-
Al2O3	0.5	-	8	-	2	-	-	-	1	-	-	-
PbO	10	13.6	14.9	16	12.4	20.4	20	20	27	16.4	27	27
BaO	13	1	7	-	2	7	7	5	5	8	3	3
CaO	1	-	-	13	-	1	1	-	-	-	-	-
MgO	1	13	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
SrO	1	-	1	-	13	-	-	-	-	-	-	-
ZnO	-	-	1	-	-	-	-	-	-	11	-	-
К2О	-	1	11	11	5	-	-	10	10.2	6	4.5	4.5
Rb2O	0.4	-	-	-	-	1	3	-	-	-	-	-
Cs2O	0.85	-	-	-	-	2	0.4	-	-	-	-	-
Bi2O3	0.1	0.2	0.5	0.6	2	1	1	1	1	1	0.5	0.5
Sb2O3	0.05	0.6	0.3	0.3	0.3	0.1	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
As2O3	0.6	0.1	0.3	0.3	0.3	0.5	0.3	0.3	0.5	0.3	0.4	0.4
ZrO2	0.5	1	-	1	2	1	1	1	5	2	-	-
TiO2	-	-	1	2	-	-	-	8	-	-	-	-
WO3	-	-	-	-	-	1	-	-	-	-	3	-
Nb2O5	0.5	0.5	-	-	-	-	1	-	-	-	-	3

Продолжение табл.1

Оксид	13	14
SiO2	63	64
В2О3	3.5	-
Al2O3	1.1	-
PbO	11.1	14.7
ВаО	11.7	7.5
СаО	4.2	3.5
MgO	2.1	-
SrO	-	-
ZnO	-	5.9
К2О	-	3.1
Rb2O	0.4	-
Cs2O	1.3	-
Bi2O3	0.5	0.5
Sb2О3	0.1	0.1
As2O3	0.2	0.2
ZrO2	0.8	0.5

Составы стекол для растворимой сердцевины каналов МКП (мол%).

Таблица 2.
Оксид	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
SiO2	51	6	38	31	36	37	36	29	50.5	28	28
В2О3	15	74	31.8	34.4	35.4	30.8	30.3	34.2	15	28.4	28.4
Al2O3	0.5	-	-	2	2	-	1	7	0.5	0.5	-
La2O3	0.5	1	7	-	-	0.5	-	-	-	-	5
ВаО	32	16.8	0.5	29	14	15	16	28	32	28	28
SrO	-	-	22	1	-	-	-	-	-	-
СаО	-	1	-	1	-	-	16	1	-	-	-
MgO	-	-	-	1	12	-	-	-	-	-	-
ZnO	-	0.5	-	-	-	16	-	-	-	-	-
ZrO2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0.5	0.5
TiO2	-	-	-	-	-	-	-	-	0.5	7	2.5
К2O	-	-	-	-	-	-	-	-	0.5	7	7
As2O3	0.5	0.6	0.1	0.3	0.3	0.4	0.4	0.5	0.5	0.4	0.4
Sb2O3	0.5	0.1	0.6	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.5	0.2	0.2

Продолжение табл.2

Оксид	12	13
SiO2	39.2	41.2
В2O3	27.0	26.2
Al2O3	-	1.7
La2O3	4.5	-
ВаО	29.0	26.2
SrO	-	-
СаО	-	1.6
MgO	-	-
ZnO	-	-
ZrO2	-	-
TiO2	-	-
К2O	-	2.8
As2O3	0.2	0.2
Sb2O3	0.1	0.1

Пример 1. Для получения исходного единичного двухслойного стержня для изготовления микроканальных пластин выбирается комбинация стекол сердцевины и оболочки, согласованных по вязкости и температурному коэффициенту расширения, например: сердцевина № 12, табл.2 и оболочка № 13, табл.1 или сердцевина № 13, табл.2 и оболочка № 14, табл.1. Круглый штабик из растворимого стекла сердцевины помещают в трубку из активного стекла оболочки, обладающего вторичной эмиссией электронов при восстановлении его в водороде. Комплект «штабик-трубка» помещают в печь, разогревают до температуры размягчения стекол 795°С и вытягивают с помощью машины одножильные двухслойные стержни диаметром 0.6 мм. Стержень имеет растворимую сердцевину, окруженную оболочкой из активного стекла. Одножильные стержни укладывают в пакет шестигранного сечения с размером апофемы 30 мм. Пакет помещают в печь, нагревают вторично до температуры 795°С и вытягивают с помощью машины единичный многожильный стержень размером 0.8 мм. Многожильные стержни разрезают на куски длиной 40-100 мм, укладывают в форму и прессуют в блок. Блок разрезают на пластины, из которых изготавливают заготовки для микроканальных пластин, которые вытравливают и восстанавливают по известному способу.

Стекла активной оболочки и растворимой сердцевины согласованы по вязкости в температурном интервале вытяжки волокна и прессовки волоконного блока. При термообработке в течение часа до 900°С стекла не кристаллизуются. Стекла активной оболочки обладают высокой химической устойчивостью (группа А-1 по каталогу «Бесцветное оптическое стекло СССР», М.: Дом оптики, 1990). Дегазация МКП проводилась в температурном интервале 540-600°С. Полученные МКП обладали высоким усилением: коэффициентам усиления Кр=10³ и Кн=10⁴ соответствовало электрическое напряжение на МКП 750-830 и 960-1050 вольт соответственно.

1. Микроканальная пластина, выполненная из стеклянных волокон, содержащих активную оболочку, выполненную из стекла, включающего SiO₂, PbO, Bi₂O₃, Sb₂O₃, As₂О₃, по крайней мере, один оксид из группы TiO₂, ZrO₂, Nb₂O₅, WO₃, ZnO, по крайней мере, один оксид из группы Al₂О₃, В₂О₃, К₂О, Rb₂O, Cs₂O, по крайней мере, один оксид из группы MgO, CaO, ВаО, SrO, при следующем содержании компонентов, мол.%: SiO₂ 49-70, PbO 10-27, Bi₂O₃ 0,1-2, Sb₂O₃ 0,05-0,6, As₂O₃ 0,1-0,6, TiO₂ 1-8, ZrO₂ 0,5-5, Nb₂O₅, WO₃ 0,5-3, ZnO 1-11, MgO, CaO, SrO, ВаО 1-13, Al₂О₃ 0,5-8, В₂O₃ 0,5-4, К₂O 1-11, Rb₂O 0,4-3,0, Cs₂O 0,4-2, и растворимую сердцевину, выполненную из стекла, включающего SiO₂, В₂О₃, по крайней мере, один оксид из группы ВаО, SrO, CaO, MgO, ZnO, по крайней мере,один оксид из группы Al₂O₃, La₂O₃, по крайней мере, один оксид из группы As₂O₃, Sb₂O₃ при следующем содержании компонентов, мол.%: SiO₂ 6-51, В₂O₃ 15-74, BaO 0,5-32, SrO 1-22, CaO 1-16, MgO 1-12, ZnO 0,5-16, Al₂O₃ 0.5-7, La₂O₃ 0,5-7, As₂O₃, Sb₂O₃ 0,1-0,6.

2. Микроканальная пластина по п.1, отличающаяся тем, что, с целью дополнительного согласования стекол активной оболочки и растворимой сердцевины по термическому расширению и вязкости, стекло растворимой сердцевины дополнительно содержит, по крайней мере, один оксид из группы TiO₂, ZrO₂, К₂O при следующем содержании компонентов, мол.%: TiO₂ 1-7, ZrO₂ 0,5-5, К₂O 0,5-7.

3. Микроканальная пластина по п.1, отличающаяся тем, что, с целью упрощения сборки одножильных и многожильных стержней, одно из стекол для активной оболочки или растворимой сердцевины дополнительно содержит, по крайней мере, один оксид из группы Cr₂О₃, Mn₂O₃, Fe₂O₃, СоО, NiO в количестве 0,05-1,0 мол.%.