CN103575221B - 一种多碱光电阴极膜层厚度测量系统的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多碱光电阴极膜层厚度的测量系统，主要用于微光像增强器在真空状态下对其多碱光电阴极膜层厚度的测量。其主要技术方案是：在箱体内左边，安装一个光源，之后又安装一个单色器、分光器，在分光器上部设有反射镜，之后安装一个光电倍增管，光电倍增管与计算机连接，在分光器下部后方安装一个反射率测定部件，之后仍设有反射镜。本发明通过实际应用证明：从根本上克服了微光像增强器多碱阴极制造中质量不稳定、技术指标难以到达的现象。有效地提高了多碱阴极的灵敏度和微光像增强器的整体性能水平。

Description

一种多碱光电阴极膜层厚度测量系统的测量方法

技术领域

本发明涉及一种对真空状态下的光电阴极膜层厚度进行测量的系统，主要用于微光像增强器在真空状态下对其多碱光电阴极膜层厚度的测量，也可用于对类似的光电器件的阴极膜层厚度测量。

背景技术

微光像增强器是微光夜视仪的核心部件，其结构（见图1），它由玻璃输入窗1、多碱阴极膜层2、微通道板3、荧光粉层4、输出窗5等组成。多碱阴极膜层2是直接制作在玻璃面上，存在两个界面，即玻璃与多碱阴极膜层的界面和多碱阴极膜层与真空的界面，微光像增强器内部真空度约为10^-8乇。其工作原理；在夜间，当微弱光线进入微光像增强器，透过玻璃输入窗1后被多碱阴极膜层2吸收，多碱阴极吸收光之后发射光电子，光电子在电场作用下进入微通道板3，经过微通道板数量得到了倍增，微通道板输出的倍增光电子最后再轰击荧光粉层4发光，并通过输出窗5输出，这样输出的光通量与输入的光通量相比放大了数万倍以上，即输出亮度达到人眼观察目标的亮度，因此实现了人眼在黑暗中观察目标的目的。然而微光像增强器的核心技术是多碱光电阴极（以下简称多碱阴极），多碱阴极靠真空蒸发的原理制作，在制作过程中控制膜层的厚度是制作多碱阴极的关键参数，而多碱阴极只能存在于真空状态中，一旦暴露于在大气很快就会损坏，因此到目前为止，还没有一种有效地测量多碱阴极膜层厚度的方法或系统。传统的方法是通过观察多碱阴极的膜层颜色来粗略判断：颜色深为膜层厚，颜色浅为膜层薄，控制的精度不高，而多碱阴极的膜层厚度是直接影响阴极灵敏度的高低，决定着微光像增强器的性能质量，导致目前多碱阴极制作的工艺不稳定，质量指标难以保证。因此迫切需要一种较为准确的测量多碱阴极膜层厚度的方法或装置，来研究指导微光像增强器多碱阴极的制作。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题和目的是：根据目前微光像增强器多碱阴极膜层缺少测量手段，无法获得准确的膜层厚度数据，阻碍了最佳膜层厚度研究的缺陷。利用光的干涉原理，设计一种专门的测量系统，准确测量出处于真空状态下的多碱阴极膜层厚度，给最佳多碱阴极膜层的研究提供依据，从根本上克服多碱阴极制造中质量不稳定、技术指标难以到达的现象。有效地提高多碱阴极的灵敏度和微光像增强器的整体性能水平。

本发明的主要技术方案：测量系统具体结构是，从箱体内的左边开始，通过支架和胶粘的方式，安装一个光源，之后同轴安装一个单色器、分光器，在分光器上部正前方安装一块反射镜，与反射镜成90°的正下方再安装一块反射镜，在反射镜之后沿单色器的光轴延长线，安装一个光电倍增管，光电倍增管的输出端与箱体外的计算机连接，在分光器下部后方安装一个反射率测定部件，在反射率测定部件的出射端之后安装一块反射镜，与反射镜成90°正上方再安装一块反射镜。其测量方法步骤为：A、设备预热，首先打开测量系统及计算机的电源进行预热2～3分钟；B、系统光路检查，打开光源和操作软件进行系统光路检查是否正常，由计算机显示检查完成即可；C、检查参考光路，打开测量系统的箱体盖板及反射率测定部件的护罩，检查参考光路是否正常，而后关闭盖板及护罩；D、光谱范围设定，按照微光像增强器需要测试的光谱范围360nm～1000nm进行设定；E、空测反射率，打开操作软件、开始反射光采集，进行光谱反射率空测一次，反射率测试100%归零；F、清洁被测件，用酒精和乙醚混合溶液擦拭待测的微光像增强器的玻璃输入窗表面，清洁后待测；G、装入被测件，打开测量系统的箱体盖板及反射率测定部件的护罩，装入待测的微光像增强器，关闭盖板；H、测出反射率曲线，进行反射光采集及光谱范围的反射率测定，此时由光源发出的光，经单色器连续分离出单色光，通过分光器分成两束光线，一束为参考光，一束为测量光，测量光对微光像增强器的多碱阴极进行照射，光线反射后经反射率测定部件和反射镜折转，由高灵敏度的光电倍增管交替接收参考光和多碱阴极的反射光，并把采集到的反射光、参考光信号转变成电信号，输出给计算机，经软件处理，得出多碱阴极光谱反射率曲线；I、计算膜层厚度，从光谱反射率曲线中查出一级干涉减弱峰对应的波长λ，从折射率曲线中查出一级干涉减弱峰波长λ对应的折射率n，N=1，代入干涉方程式2nd＝λN，计算出多碱阴极膜层的厚度值d。

本发明通过实际应用证明：完全达到研制目的，系统能够准确测出处于真空状态下的多碱阴极膜层的厚度值，通过研究找出了多碱阴极膜层的最佳厚度；经工艺上控制，制作出最佳厚度或接近最佳厚度的多碱阴极膜层。目前已经应用于1XZ18/18WHS高性能微光像增强器系列、1XZ25/25WS二代微光像增强器系列、1XZ18/18WS二代微光像增强器系列等产品中。与原来相比，多碱阴极的灵敏度提高了百分之二十以上，与之配套的夜视仪器作用距离提高了百分之二十五以上，稳步地提升了微光像增强器的整体性能水平。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。

图1，是被测量的微光像增强器的结构示意图。

图2，是本发明各零部件、仪器安装布置结构示意图。

图3，是本发明反射率测定部件11的放大结构示意图。

图4，是本发明的操作流程图。

图5，是本发明对微光像增强器多碱阴极实测的光谱反射率曲线图。

图6，是微光像增强器多碱阴极折射率n的曲线图。

具体实施方式

参照图1，按照光电发射的理论，多碱阴极膜层厚度影响光电发射中有两个过程，一是吸收过程，二是扩散过程。对吸收过程，要使多碱阴极膜层有好的光吸收，只要增加多碱阴极膜层的厚度即可。然而多碱阴极是一种多晶半导体薄膜，电子在扩散过程中，穿越晶粒面时会存在能量损失，因此电子的逸出深度与单晶半导体相比较短，所以增加多碱阴极膜层厚度，虽然可以提高对入射光的吸收率，特别是提高了对长波入射光的吸收率，但另一方面由于短波的吸收深度短，增加多碱阴极膜层厚度就会降低短波光子的逸出几率，也就降低了多碱阴极短波的光电灵敏度，所以多碱阴极存在着一个最佳厚度的问题。当多碱阴极膜层达到最佳厚度时，自然其灵敏度也达到最高。

参照图2，本发明由箱体9、光源6、单色器7、分光器8、微光像增强器10、反射率测定部件11、反射镜12、光电倍增管13、计算机14、箱盖15等组成。

参照图2、3、4、5、6，对本发明的主要技术方案进行说明：其具体结构是，从箱体9内的左边开始，通过支架和胶粘的方式，安装一个光源6，之后同轴安装一个单色器7、分光器8，在分光器8上部正前方安装一块反射镜12，与反射镜12成90°的正下方再安装一块反射镜12，在反射镜12之后沿单色器7的光轴延长线，安装一个光电倍增管13，光电倍增管13的输出端与箱体外的计算机14连接，在分光器8下部后方安装一个反射率测定部件11，在反射率测定部件11的出射端之后安装一块反射镜12，与反射镜12成90°正上方再安装一块反射镜12。系统工作在暗室条件下，其测量操作流程为（见图4）：

A、设备预热。首先打开测量系统及计算机的电源进行预热约2～3分钟；

B、系统光路检查。打开光源6和操作软件进行系统光路检查是否正常，由计算机显示检查完成即可；

C、检查参考光路。打开测量系统的箱体盖板15及反射率测定部件11的护罩，检查参考光路是否正常，而后关闭盖板及护罩；

D、光谱范围设定。按照微光像增强器需要测试的光谱范围360nm～1000nm进行设定；

E、空测反射率。打开操作软件、开始反射光采集，进行光谱反射率空测一次（未放被侧件），反射率测试100%归零；

F、清洁被测件。用酒精和乙醚混合溶液擦拭待测的微光像增强器10的玻璃输入窗表面，清洁后待测（见图3）；

G、装入被测件。打开测量系统的箱体盖板15及反射率测定部件11的护罩，装入待测的微光像增强器10（多碱阴极面朝下见图3），关闭盖板15；

H、测出反射率曲线。进行反射光采集及光谱范围的反射率测定，此时由光源6发出的光，经单色器7连续分离出单色光，通过分光器8分成两束光线，一束为参考光，一束为测量光，测量光对微光像增强器10的多碱阴极进行照射，光线反射后经反射率测定部件11和反射镜12折转，由高灵敏度的光电倍增管13交替接收参考光和多碱阴极的反射光，并把采集到的反射光、参考光信号转变成电信号，输出给计算机14，经软件处理，得出多碱阴极光谱反射率曲线（见图5）；

I、计算膜层厚度。从图5光谱反射率曲线中查出一级干涉减弱峰对应的波长λ，从图6折射率曲线中查出一级干涉减弱峰波长λ对应的折射率n，N=1，代人干涉方程式2nd＝λN，计算出多碱阴极膜层的厚度值d。

参照图3，所述的反射率测定部件11由入射反射镜11-1、转折镜11-2、出射反射镜11-5及支座11-3组成。其结构是，在壳体11-4内，依次按入射反射镜11-1、转折镜11-2、出射反射镜11-5的位置布置，按一定的入射角和出射角的要求装配校正后，胶粘固定而成，在壳体11-4的上开口处，通过螺钉固定连接一个支座11-3。

参照图2，所述的光源6，其组成是：在光源壳体6-1内，通过支架固定卤素灯6-2，（波长为360—2000nm）。

参照图2，单色器7、分光器8、反射镜12、光电倍增管13、计算机14，均为市场可购置的国家或行业标准的光电仪器及电子元器件。

参照图2，本发明的反射率采集及数据处理软件均为自行编程设计。

参照图1、5，从图5的光谱反射曲线可以看出，曲线与普通光学膜层的反射率曲线相比，不是很规则，存在干涉峰，原因是多碱阴极膜层是一种具有强吸收系数的半导体薄膜，对不同波长存在不同的折射率和消光系数，其对应波长的入射光在玻璃与阴极膜层界面反射和阴极膜层与真空界面上反射的两束反射光发生干涉的结果。如果这两束反射光的相位差相差λ/2的奇数倍，那么将出现干涉减弱峰，如果相差λ/2的偶数倍，将出现干涉加强峰，也就是说，在光谱反射率曲线上两个干涉减弱峰所对应的波长处，玻璃与阴极膜层界面和阴极膜层与真空界面上的两束反射光的相位差必定相差λ/2的奇数倍，但考虑到在玻璃与阴极膜层界面反射时存在半波损失，因此，在光谱反射率曲线上两个干涉减弱峰所对应的波长处，玻璃与阴极膜层界面和阴极膜层与真空界面的两束反射光的相位差实际上相差λ/2的偶数倍，满足干涉方程：2nd＝λN

式中n表示多碱阴极膜层一级干涉减弱峰对应波长的折射率，（从图6波长与折射率关系曲线中查得，也可从光学手册中查的)；d表示多碱阴极膜层厚度；N表示系数，一级干涉减弱峰取1。（一级干涉减弱峰是指曲线中出现的第一个最低峰）。

计算膜层厚度举例：参照图5、6，从图5中可以读出对应的一级干涉减弱峰波长λ＝840nm，再从图6中查出840nm对应的折射率n=2.2，N=1，代人以上干涉方程式：2nd＝λN，求出多碱阴极膜层厚度d＝190.9nm。

本发明在微光像增强器多碱阴极制作中的应用：根据经验，选取一些多碱阴极灵敏度比较高的微光像增强器，进行对其多碱阴极膜层厚度的测量，测值通过处理后设定为最佳厚度值。多碱阴极制作中，如果膜层厚度达不到最佳厚度值要求，采取阴极膜层补救措施，在光电阴极通用的蒸镀设备中去除已经蒸镀的多碱阴极膜层，重新进行蒸镀，适当延长多碱阴极膜层的蒸镀时间，直至达到最佳膜层厚度值要求为止；如果膜层厚度超出最佳厚度值要求，就减少多碱阴极膜层的蒸镀时间，直至达到或接近最佳膜层厚度值即可。

本发明是利用实测的光谱反射率曲线的干涉减弱峰波长计算得到的膜层厚度，与实际情况基本一致，因此该测量方法及所测厚度数据是可靠的。

Claims (1)

1.一种多碱光电阴极膜层厚度测量系统的测量方法，其特征在于：测量系统具体结构是，从箱体（9）内的左边开始，通过支架和胶粘的方式，安装一个光源（6），之后同轴安装一个单色器（7）、分光器（8），在分光器（8）上部正前方安装一块反射镜（12），与反射镜（12）成90°的正下方再安装一块反射镜（12），在反射镜（12）之后沿单色器（7）的光轴延长线，安装一个光电倍增管（13），光电倍增管（13）的输出端与箱体外的计算机（14）连接，在分光器（8）下部后方安装一个反射率测定部件（11），在反射率测定部件（11）的出射端之后安装一块反射镜（12），与反射镜（12）成90°正上方再安装一块反射镜（12），其测量方法步骤为：

A、设备预热，首先打开测量系统及计算机的电源进行预热2～3分钟；

B、系统光路检查，打开光源（6）和操作软件进行系统光路检查是否正常，由计算机显示检查完成即可；

C、检查参考光路，打开测量系统的箱体盖板（15）及反射率测定部件（11）的护罩，检查参考光路是否正常，而后关闭盖板及护罩；

D、光谱范围设定，按照微光像增强器需要测试的光谱范围360nm～1000nm进行设定；

E、空测反射率，打开操作软件、开始反射光采集，进行光谱反射率空测一次，反射率测试100%归零；

F、清洁被测件，用酒精和乙醚混合溶液擦拭待测的微光像增强器（10）的玻璃输入窗表面，清洁后待测；

G、装入被测件，打开测量系统的箱体盖板（15）及反射率测定部件（11）的护罩，装入待测的微光像增强器（10），关闭盖板（15）；

H、测出反射率曲线，进行反射光采集及光谱范围的反射率测定，此时由光源（6）发出的光，经单色器（7）连续分离出单色光，通过分光器（8）分成两束光线，一束为参考光，一束为测量光，测量光对微光像增强器（10）的多碱阴极进行照射，光线反射后经反射率测定部件（11）和反射镜（12）折转，由高灵敏度的光电倍增管（13）交替接收参考光和多碱阴极的反射光，并把采集到的反射光、参考光信号转变成电信号，输出给计算机（14），经软件处理，得出多碱阴极光谱反射率曲线；

I、计算膜层厚度，从光谱反射率曲线中查出一级干涉减弱峰对应的波长λ，从折射率曲线中查出一级干涉减弱峰波长λ对应的折射率n，N=1，代入干涉方程式2nd＝λN，计算出多碱阴极膜层的厚度值d。