CN101393837B - 纳秒响应微光像增强器的光电阴极及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳秒响应微光像增强器的光电阴极及其制作方法，该光电阴极以Φ18mm多碱S20毫秒响应光电阴极为基础，其有效直径为Φ30mm，导电膜为纳秒响应级0.08μm厚的镍膜，光电发射层为500nm厚的(Cs)Na₂KSb层；在制备光电发射层的工艺中，采用先蒸镀一层30nm后的K膜，以便于光电流监控仪在光电发射层制备过程中对各阶段膜厚的监控。本发明的光电阴极很好地解决了用现有技术微光成像器件对核爆炸过程(或其它纳秒响应事件)的记录过程中暴露出来的时间响应速度慢，事件细节丢失；有效面积小，捕捉信息量少，细节分辨不清的问题。

Description

纳秒响应微光像增强器的光电阴极及其制作方法

技术领域

本发明属于光电成像技术领域，主要涉及一种纳秒级响应的微光像增强器，尤其涉及该微光像增强器使用的大有效直径的纳秒响应光电阴极及其制作方法。

背景技术

作为微光像增强器的核心部件——光电阴极，它以光电效应为工作原理，通常其响应速度为毫秒级；若在光电阴极制作工艺上进行特殊处理，还可以使其响应速度达到微秒、纳秒级。为了对具有显著光学特征的纳秒响应事件(如爆炸过程)进行研究，需要对其发生过程进行记录和成像分析，在利用光电成像对其进行记录和成像分析时，一方面，需要光电成像器件具有纳秒级的响应速度，能够对事件细节进行实时记录，不会造成信号的混淆；另一方面，需要进入光电成像器件的光信息量要尽量多一些，使所成图像的亮度足够强，易于被人眼/CCD或其它光信息接收器所接收，因此，为了使人眼/CCD或其它光信息接收器能够接收到尽量多的光信息，根据式Q_总＝DT(Q_总为总的光信息量，D为系统的口径，T为光电子积累时间)可知，在光电子积累时间T一定的前提下，系统的口径D越大，进入系统总的光信息量就越多，纳秒响应时间的细节越容易被采集到。综述以上两个方面，大尺寸、纳秒响应微光像增强器正好可以满足此要求。

SPIE Vol.2272，P194～202《The performance of DEP super generationimage intensifiers》公开的超二代微光像增强器的光电阴极和荧光屏有效直径均为Φ17.5mm，采用Super-S25多碱光电阴极，该光电阴极的结构和制作方法未见公开报道，据查找的资料可知，其光电阴极响应速度为毫秒级，无法达到纳秒级的响应速度，不能满足对纳秒响应事件的记录和成像要求；另外其有效直径为Φ17.5mm在对快响应事件记录时光电阴极接收的光信息量也有限，不利于对纳秒响应事件的记录和成像分析。

Hamamatsu Photonics K.K.，Electron Tuble Division在http://www.Hamamatsu.com中公布的《High-speed Gated image intensifier units》型号为C9547-03的像增强器单元，光电阴极输入有效直径为Φ17.5mm，荧光屏输出尺寸为12.8×9.6mm，光电阴极为多碱化合物，光谱响应为185～900nm，光电阴极输入窗口为光学石英玻璃，光电阴极时间响应速度为3ns，但其光电阴极的结构和制作方法未见公开报道。再加之成像面积的有效直径为Φ17.5mm极为有限，也不利于对纳秒响应事件的记录和成像分析。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是，提供一种大有效直径纳秒响应光电阴极。

本发明要解决的第二个技术问题是，提供一种大有效直径纳秒响应光电阴极的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的纳秒级光电阴极包括光电阴极窗口、导电环、纳秒响应导电膜、光电发射层；所述光电阴极窗口为带有圆台凸起和环形台阶面的圆盘构件，所述圆盘外径为Φ52mm，圆台凸起的小端有效直径为Φ30mm，大端的有效直径为Φ40mm；所述导电环为镍一铬(Ni-Cr)膜，其中Ni膜厚度为0.1μm，Cr膜厚度为0.08μm，导电环制备在所述光电阴极窗口的环形台阶面和圆台凸起的侧面上；所述纳秒响应导电膜为镍(Ni)膜并镀制在所述圆台凸起的小端面上；所述光电发射层的材料为(Cs)Na₂KSb，并制作在纳秒响应导电膜上。

在本发明提供的纳秒响应光电阴极中，所述光电阴极窗口材料为石英玻璃；所述纳秒响应导电膜的厚度为0.08μm；所述光电发射层的厚度为500nm。

本发明提供的纳秒响应光电阴极的制作方法包括以下工艺步骤：

第一步，根据设计要求用常规光学零件加工工艺加工所述光电阴极窗口，分别对光电阴极窗口的环形台阶面、圆台凸起的侧面和小端面进行抛光和清洗；

第二步，采用电子枪三源镀膜机，在温度为280℃、真空度为3×10^-4Pa的条件下，首先给光电阴极窗口的环形台阶面和圆台凸起的侧面蒸镀0.1μm厚的Ni膜，其次再给上述两个面蒸镀0.08μm厚的Cr膜，形成导电环；给圆台凸起的小端面蒸镀0.08μm厚的Ni膜即纳秒响应导电膜；

第三步，将钠源(Na)、钾源(K)、铯源(Cs)、锑源(Sb)分别装在综合制管台的四个芯柱上，同时，将1～6块光电阴极窗口安装到夹具顶部的开孔处，在真空度5×10^-5Pa时开始真空烘烤，20h达到温度400℃，保温10h，降到室温后，真空度达到1×10^-6Pa；

第四步，通过电阻加热法，相继对钠源(Na)、钾源(K)、铯源(Cs)、锑源(Sb)进行真空除气；

第五步，当综合制管台的温度在210℃且真空度达到2×10^-6Pa时，给K源通加热电流，在圆台凸起小端面的Ni导电膜上蒸镀30nm的K膜；

第六步，保持给K源的加热电流不变，同时给Sb源通加热电流，使Ni导电膜上的K膜变为50nm的K₃Sb膜；

第七步，给Na源通加热电流，使Ni导电膜上的K₃Sb膜变为NaK₂Sb膜，随着Na量的增加再变为Na₂KSb膜；

第八步，反复交替地给Sb源、K源和Na源通加热电流，直至Na₂KSb膜的厚度达到400nm；

第九步，给Cs源通加热电流，使Ni导电膜上的Na₂KSb膜变为(Cs)Na₂KSb膜；

第十步，给Sb源通加热电流，使Ni导电膜上的(Cs)Na₂KSb膜的厚度达到500nm，形成光电发射层。

本发明的有益效果体现在以下几方面。

(一)本发明的纳秒响应光电阴极是在普通的光电阴极结构上制备了纳秒响应导电膜，从而使本发明的时间响应分辨率小于10ns，能够满足纳秒响应事件的快速响应需要；同时，本发明的纳秒响应光电阴极的有效直径达到Φ30mm，使其获得光信息能力较Φ18mm光电阴极提高了2.78倍，有利于对微弱信号的检测。

(二)在本发明提供的光电阴极制作方法中，在综合制管台内能够一次制作6块性能相同的光电阴极，制作效率提高了6倍，能够满足产业化生产的需要。

(三)在本发明提供的光电阴极制作方法中，在温度为280℃、真空度为3×10^-4Pa的条件下，给圆台凸起的小端面蒸镀0.08μm厚的Ni导电膜。这不仅能够使光电阴极窗口在蒸镀此膜前的表面达到清洁新鲜表面；而且还能够保证蒸镀过程中Ni在光电阴极窗口的圆台凸起小端面上充分扩散，形成均匀的镍膜；进而为光电发射层的制备提供保证。

(四)本发明在Ni导电膜上制备光电发射层时，首先蒸镀了一层30nm厚的K膜，这样，在综合制管台中，该层K膜能够先形成一定的光电发射，在输入光照度不变的情况下，增大了膜层产生的饱和光电流的数值，相当于使光电阴极灵敏度提高，有利于在后续工艺中对膜层产生的光电流进行监控，为制作出高灵敏度的纳秒响应光电阴极提供了一定的技术支持。

附图说明

图1是本发明纳秒响应光电阴极的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

根据图1所示，本发明纳秒响应光电阴极的优选实施例包括光电阴极窗口1、导电环2、纳秒响应导电膜3、光电发射层4，光电阴极窗口1为带有圆台凸起的圆盘构件并选用JGS-1石英玻璃制作，圆盘外径为Φ52mm，圆台凸起小端的有效直径为Φ30mm，大端的有效直径为Φ40mm。导电环2是由纯度为99.999％的Ni材料和99.999％Cr材料制成的Ni-Cr膜，其中Ni膜厚度为0.1μm，Cr膜厚度为0.08μm，导电环2制备在光电阴极窗口1的台阶面和圆台凸起的侧面上且Ni膜在下Cr膜在上。纳秒响应导电膜3是由纯度为99.999％的Ni材料镀制在圆台凸起小端面上的Ni膜，其厚度为0.08μm。光电发射层4的材料为(Cs)Na₂KSb，并制作在纳秒响应Ni导电膜3上。

本发明制作上述纳秒响应光电阴极的优选实施方式包括以下工艺步骤：

第一步，根据设计要求用常规光学零件加工工艺加工光电阴极窗口1，在四轴抛光机上用常规抛光工艺分别对光电阴极窗口1的台阶面、圆台凸起的侧面和小端面进行抛光，抛光机的转速为500转/分钟，抛光砂为500目氧化铈化合物。利用中性洗涤剂对抛光好的光电阴极输入窗口1进行超声清洗3次，并用异丙醇超声脱水2次，最后用高纯氮气将清洗后的光电阴极窗口1吹干。

第二步，将装在夹具后的光电阴极窗口1和99.999％的高纯Ni靶放置到国产DM-8型电子枪三源镀膜机的镀膜室中，调整蒸发挡板到合适位置后开启真空泵，当镀膜室的真空度达到1×10^-4Pa时，开启加热电源给镀膜机加热，使镀膜室的温度在3h内升到280℃并保温2h。在镀膜室处于保温状态和真空度为3×10^-4Pa条件下，开启高压电子枪，电子枪以7KV偏压和5A的灯丝电流轰击99.999％的高纯Ni靶，使熔化的Ni蒸镀到光电阴极窗口1的台阶面和圆台凸起的侧面上；与此同时，用石英振荡器监控Ni膜厚度直至其达到0.1μm。重新调节蒸发挡板位置，采用同样的工艺在光电阴极窗口1的台阶面和圆台凸起的侧面再蒸镀0.08μm厚的Cr膜，由此形成导电环2，然后关闭高压电子枪、加热电源；当镀膜室温度降到100℃以下时，关闭高真空阀及分子泵电源，15分钟后，再关闭低真空阀/机械泵/冷却水开关。打开真空钟罩从镀膜室中取出光电阴极窗口1后进行相应的抛光、清洗后，将制有导电环2的光电阴极窗口1再次安装到夹具上，并与99.999％的高纯Ni靶放置到国产DM-8型电子枪三源镀膜机的镀膜室中，调整蒸发挡板位置，以使熔化后的Ni蒸镀到光电阴极窗口1的圆台凸起的小端面上。采用上述相同的工艺参数和工序给圆台凸起的小端面镀制0.08μm厚的Ni膜即得到纳米响应导电膜3并进行相应的清洗。

上述提到的清洗工序为，将光电阴极窗口1放在清洗夹具上并与清洗夹具一起放入盛有中性洗涤剂和去离子水的不锈钢清洗槽中用超声波清洗5min，然后用去离子水冲洗夹具和光电阴极窗口1，冲洗时间5min，再放入去离子水用超声波清洗5min后放入异丙醇中用超声波清洗2次，每次5min，然后将清洗后的光电阴极窗口1用三丰产的三坐标测量仪和25倍显微镜检查相应膜层表面，确保无瑕疵、黑点、白点、绒毛、污点等。

第三步，将钠源(Na)、钾源(K)、铯源(Cs)、锑源(Sb)分别装在综合制管台的四个芯柱上，同时，将1～6块光电阴极窗口1安装到夹具顶部的相应开孔处，在真空度为5×10^-5Pa的工艺条件下开始真空烘烤，用20h从室温匀速上升到温度400℃，保温10h后，自然降到室温，并使真空度达到1×10^-6Pa。该工艺步骤既可以保证整个真空烘烤过程中能够使光电阴极窗口1保持在真空度不低于1×10^-5Pa的环境中不受污染，而且还能够以较短的时间达到对整个综合制管台进行彻底除气的目的，使之达到制备光电发射层所需的真空度。

第四步，通过电阻加热法，相继对Na源、K源、Cs源、Sb源进行真空除气。在对Na源除气时，将恒流源与Na源接通，并控制给Na源提供的加热电流在45min钟内从0.8A均匀增大到3.6A并在3.6A保持10min，随后立即关闭恒流源，Na源真空除气结束。对K源真空除气时，将恒流源与K源接通，并控制给K源提供的加热电流在1h内从0.8A均匀增大到5.6A，在5.6A保持10min，随后立即关掉关闭恒流源，K源真空除气结束。对Cs源和Sb源除气时，采用与Na源除气工艺相同的工艺。

第五步，要求在综合制管台内的温度为210℃，真空度达到2×10^-6Pa的条件下，给圆台凸起小端面的Ni导电膜3上蒸镀30nm厚的K膜，然后同时蒸镀Sb和K膜，使上述K膜变为形成50nm厚的K₃Sb膜；再反复蒸镀Na、Sb和K膜，使K₃Sb膜变为400nm的Na₂KSb膜；最后再蒸镀Cs和Sb，得到总厚度500nm的(Cs)Na₂KSb光电发射层4。在本优选实施例中，光电发射层4在不同阶段蒸镀形成的上述不同成份的几种膜的厚度是通过监测和控制光电发射层4在10³lx照度下产生的饱和光电流来实现的，其具体制备过程包含以下工序。

(1)通过加热电源给K源通入5.8A的加热电流，用光电流监控仪监控所蒸镀膜层产生的饱和光电流，当其达到80nA，就在Ni导电膜3上形成了30nm的K膜。由于蒸镀在圆台凸起小端面上的纳秒响应导电膜3会使可见光透过率下降，导致到达光电发射层4上的有用光子数下降，相当于造成光电阴极灵敏度下降，给制备光电发射层过程中的膜厚监控(即监控膜层产生的饱和光电流)带来困难。为了克服这一问题，本发明在制备光电发射层4的第一道工序首先蒸镀一层30nm厚的K膜，由于K膜在光照射下可以形成一定的光电发射，从而增大了制备膜层上的光电流数，使光电流监控仪能够容易地监控制备膜层产生的饱和光电流。

(2)保持给K源通入5.8A的加热电流不变，同时通过加热电源给Sb源通入6.1A的加热电流，使制备膜层产生的饱和光电流从80nA开始上升，用光电流监控仪监控制备膜层产生的饱和光电流并记录其所达到的极大值，当制备膜层的饱和光电流下降到极大值的50％时，关掉K源和Sb源的加热电源；由此使Ni导电膜3上的K膜变成为50nm厚的K₃Sb膜。

(3)通过加热电源给Na源通入4.2A的加热电流，使制备膜层产生的饱和光电流上升，用光电流监控仪监控制备膜层的饱和光电流并记录其所达到的极大值，当制备膜层的饱和光电流下降到极大值的50％时，关闭Na源的加热电源；由此使Ni导电膜3上的K₃Sb膜先变为NaK₂Sb膜，并随着Na量的增加再变为Na₂KSb膜。

(4)通过加热电源给Sb源通入6.1A的加热电流，使制备膜层产生的饱和光电流下降，用光电流监控仪监控制备膜层产生的饱和光电流，当制备膜层的饱和光电流下降到0.2μA时，关闭Sb源的加热电源。

(5)通过加热电源给K源通入5.8A的加热电流，使制备膜层产生的饱和光电流上升，用光电流监控仪监控制备膜层产生的饱和光电流，记录制备膜层饱和光电流的极大值，并在极大值时关闭K源的加热电源。

(6)反复重复工序(4)和(5)的操作，用光电流监控仪监控制备膜层产生的饱和光电流直到工序(5)中制备膜层饱和光电流的极大值是前次循环操作中断开K源加热电流时制备膜层饱和光电流值的90％；

(7)按照上述工序，再重复工序(3)、(4)、(5)、(6)的操作四次，至此，使Ni导电膜3上Na₂KSb膜的厚度达到400nm。在上述的循环操作过程中，每次关闭Na源的加热电源时，制备膜层的饱和光电流值是前次循环操作中关闭Na源加热电源时制备膜层的饱和光电流值的80％；在每次关闭Sb源的加热电源时，制备膜层饱和光电流值都是0.2μA；在关闭K源的加热电源时，制备膜层的饱和光电流的极大值是前次循环操作中关闭K源加热电源时制备膜层饱和光电流值的70％。

(8)通过加热电源给Cs源通入4.0A的加热电流，使制备膜层产生的饱和光电流从当前值开始上升，用光电流监控仪监控制备膜层产生的饱和光电流并记录其达到的极大值，当制备膜层的饱和光电流下降到极大值的50％时，关闭Cs源的加热电源。

(9)重复工序(8)的操作两次，最终使制备膜层产生的饱和光电流自动增大到极大值。

(10)通过加热电源给Sb源通入6.1A的加热电流，使制备膜层产生的饱和光电流从当前值开始上升，用光电流监控仪监控制备膜层产生的饱和光电流并记录其达到的极大值，当制备膜层产生的饱和光电流下降到极大值的50％时，关闭Sb源的加热电源，光电流会自动上升到极大值。此时，用人眼通过综合制管台上的窗口观察由光电阴极透射的光颜色为蓝色，表明已制备出500nm的(Cs)Na₂KSb膜，至此整个光电发射层4的制备过程结束。

采用本优选实施例提供的光电阴极制作方法，在综合制管台内一次给六块光电阴极窗口1制备光电发射层4而最终形成的六个纳秒响应光电阴极的指标参数参见表1。

表1光电阴极指标参数

编号	光电阴极灵敏度/μA·1m<sup>-1</sup>	时间响应/ns
			2008-5#	154	8
2008-6#	158	6
			2008-7#	160	7

编号	光电阴极灵敏度/μA·1m<sup>-1</sup>	时间响应/ns
			2008-9#	162	7
2008-10#	158	8
			2008-11#	158	7

Claims (3)

1.一种纳秒响应微光像增强器的光电阴极，包括光电阴极窗口[1]、导电环[2]、纳秒响应导电膜[3]、光电发射层[4]，所述光电阴极窗口[1]为带有圆台凸起和环形台阶面的圆盘构件，所述导电环[2]为镍-铬(Ni-Cr)膜，导电环[2]制备在所述光电阴极窗口[1]的环形台阶面和圆台凸起的侧面上，其特征在于：所述圆盘外径为Φ52mm，圆台凸起的小端有效直径为Φ30mm，大端的有效直径为Φ40mm；所述导电环[2]中的Ni膜厚度为0.1μm，Cr膜厚度为0.08μm；所述纳秒响应导电膜[3]为镍(Ni)膜并镀制在所述圆台凸起的小端面上；所述光电发射层[4]的材料为(Cs)Na₂KSb，并制作在纳秒响应导电膜[3]上。

2.根据权利要求1所述的纳秒响应微光像增强器的光电阴极，其特征在于：所述光电阴极窗口[1]材料为石英玻璃；所述纳秒响应导电膜[3]的厚度为0.08μm，所述光电发射层[4]的厚度为500nm。

3.一种权利要求1或2所述的纳秒响应微光像增强器的光电阴极的制作方法，其特征在于：该方法包括以下工艺步骤：

第一步，根据设计要求用常规光学零件加工工艺加工所述光电阴极窗口[1]，分别对光电阴极窗口[1]的环形台阶面、圆台凸起的侧面和小端面进行抛光和清洗；

第二步，采用电子枪三源镀膜机，在温度为280℃、真空度为3×10^-4Pa的条件下，首先给光电阴极窗口[1]的环形台阶面和圆台凸起的侧面蒸镀0.1μm厚的Ni膜，其次再给上述两个面蒸镀0.08μm厚的Cr膜，形成导电环[2]；给圆台凸起的小端面蒸镀0.08μm厚的Ni膜即纳秒响应导电膜[3]；

第三步，将钠源(Na)、钾源(K)、铯源(Cs)、锑源(Sb)分别装在综合制管台的四个芯柱上，同时，将1～6块光电阴极窗口[1]安装到夹具顶部的开孔处，在真空度5×10^-5Pa时开始真空烘烤，20h达到温度400℃，保温10h，降到室温后，真空度达到1×10^-6Pa；

第四步，通过电阻加热法，相继对钠源(Na)、钾源(K)、铯源(Cs)、锑源(Sb)进行真空除气；

第五步，当综合制管台的温度在210℃且真空度达到2×10^-6Pa时，给K源通加热电流，在圆台凸起小端面的Ni导电膜[3]上蒸镀30nm的K膜；

第六步，保持给K源的加热电流不变，同时给Sb源通加热电流，使Ni导电膜[3]上的K膜变为50nm的K₃Sb膜；

第七步，给Na源通加热电流，使Ni导电膜[3]上的K₃Sb膜变为NaK₂Sb膜，随着Na量的增加再变为Na₂KSb膜；

第八步，反复交替地给Sb源、K源和Na源通加热电流，直至Na₂KSb膜的厚度达到400nm；

第九步，给Cs源通加热电流，使Ni导电膜[3]上的Na₂KSb膜变为(Cs)Na₂KSb膜；

第十步，给Sb源通加热电流，使Ni导电膜[3]上的(Cs)Na₂KSb膜的厚度达到500nm，形成光电发射层[4]。

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