CN109841466B - 一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电阴极领域，涉及一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极及其制作方法，该透射式多碱光电阴极的制作采用传统的多碱光电阴极制作方法，在Na2KSb基底层的制作过程中，当其厚度达到S20‑B多碱光电阴极中Na2KSb基底层的所需厚度时，在多碱光电阴极的前端放置一个栅网，然后继续进行Na2KSb基底层的制作，使其厚度达到S25‑R多碱光电阴极中Na2KSb基底层的厚度；之后，移除该栅网，继续进行Cs3Sb表面层的制作。本发明方法克服现有技术存在的不足，解决现有的多碱光电阴极不同时具备短波紫外、可见光及长波近红外光谱响应的问题。
Description
技术领域
本发明属于光电阴极领域，涉及一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极及其制作方法。
背景技术
在像增强器、光电倍增管等真空光电器件中，广泛使用多碱光电阴极。多碱光电阴极的化学成分为Na、K、Cs和Sb，结构上由阴极玻璃窗1，Na2KSb基底层2和Cs3Sb表面层3所组成，见图1。阴极玻璃窗1的作用是支撑Na2KSb基底层2，Na2KSb基底层2的作用是吸收光子并产生光电子；而Cs3Sb表面层3的作用是降低Na2KSb基底层2的表面逸出功。根据光电发射的三过程理论，光电发射的第一过程是入射光4穿过阴极玻璃窗1照射Na2KSb基底层2，Na2KSb基底层2吸收光子并产生光电子5；第二过程是光电子5从Na2KSb基底层2的内部向真空界面扩散；第三过程是光电子5克服逸出功而逸出到真空形成光电流，见图2。在光电发射的第二过程中，即光电子5从Na2KSb基底层2向真空界面的扩散过程中，一部分光电子不可避免的会与晶格发生碰撞而损失能量，当其扩散到真空界面上时，如果没有足够的能量克服逸出功而逸出到真空，就不会产生光电发射。因此对于透射式光电阴极而言，其膜层的厚度不能太厚，否则会导致阴极的光谱响应很低。但光电阴极膜层的厚度也不能太薄，太薄的光电阴极膜层对入射光，特别是对长波入射光不能充分吸收，所产生的光电子较少，阴极的光谱响应也很低。
多碱光电阴极除要求其阴极光谱响应尽量高之外，还要求其光谱响应范围尽量宽。多碱光电阴极的长波截止波长可由式(1)计算。
式中Eg为Na2KSb材料的能带宽度，EA为电子亲和势。多碱光电阴极的能带宽度为1eV，电子亲和势约为0.3eV，代入上式，可以计算出多碱光电阴极的长波截止波长为950nm。多碱光电阴极的短波响应截止波长主要由输入窗的短波透过截止波长所决定。对于石英玻璃窗，短波的光谱响应截止波长在200nm以下。由此可知多碱光电阴极的光谱响应范围可以从短波紫外200nm一直延伸到长波近红外950nm。
然而对于实际的透射式多碱光电阴极而言，要从紫外到近红外较宽的波长范围内均具有较高的光谱响应是不可能的，因为多碱光电阴极的光谱响应与其厚度有关。若Na2KSb基底层的厚度太薄，那么对近红外波长光的吸收率就很低，由此造成阴极的长波光谱响应很低。但如果Na2KSb基底层的厚度太厚，那么由于短波的吸收主要发生在Na2KSb基底层靠近玻璃界面的一端，因此光电子在向真空界面扩散的过程中，所经历的路程较长，能量损失较大，逸出真空界面的几率小，由此造成阴极的短波光谱响应偏低。所以对多碱光电阴极而言，其膜层厚度不能同时兼顾短波光谱响应和长波光谱响应，因此实际的光谱响应范围也达不到从200nm紫外到950nm近红外范围，即不存在一种兼顾紫外光谱响应和近红外光谱响应的多碱光电阴极，而只存在两种典型的多碱光电阴极，一种是Na2KSb基底层较厚、长波响应好的多碱光电阴极，即S25-R阴极，其光谱响应范围在350nm至950nm之间。另一种是Na2KSb基底层较薄、短波响应好的多碱光电阴极，即S20-B阴极，其光谱响应范围在200nm至750nm。典型的S25-R多碱光电阴极与S20-B多碱光电阴极的光谱响应曲线如图3所示。S25-R多碱光电阴极Na2KSb基底层的厚度约为180nm，Cs3Sb表面层的厚度约为10nm。S20-B多碱光电阴极基底层的厚度约为30nm，Cs3Sb表面层的厚度约为10nm。
在真空光电探测系统中，很多情况下要求系统同时具备探测紫外、可见光以及近红外辐射的能力，而由于目前多碱光电阴极还不能同时兼备较高的紫外以及较高近红外光谱响应，因此需要使用两种探测器，分别是使用S20-B多碱光电阴极以及使用S25-R多碱光电阴极的探测器，所以系统较复杂，成本也较高。
发明内容
本发明提出了一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极及其制作方法，克服现有技术存在的不足，解决现有的多碱光电阴极不同时具备短波紫外、可见光及长波近红外光谱响应的问题，使多碱光电阴极的光谱响应从紫外光200nm到近红外光950nm均具有较高的光谱响应，满足了同时进行紫外、可见光以及近红外宽光谱探测的需求。
本发明采用了下列的设计结构以及设计方案。
一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法，该透射式多碱光电阴极的制作采用传统的多碱光电阴极制作方法，在Na2KSb基底层的制作过程中，当其厚度达到S20-B多碱光电阴极中Na2KSb基底层的所需厚度时，在多碱光电阴极的前端放置一个栅网，然后继续进行Na2KSb基底层的制作，使其厚度达到S25-R多碱光电阴极中Na2KSb基底层的厚度；之后，移除该栅网，继续进行Cs3Sb表面层的制作。
进一步地，所述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法包括如下步骤：步骤一：设置阴极玻璃窗，之后制作Na2KSb基底层；制作Na2KSb基底层时，采用传统的锑-钾交替的方法，所述Na2KSb基底层的厚度通过锑-钾交替的次数来进行控制，使Na2KSb基底层的厚度达到S20-B多碱光电阴极中Na2KSb基底层的所需厚度；步骤二：在阴极玻璃窗与蒸发源之间设置栅网，继续采用锑-钾交替的方法制作Na2KSb基底层，直到Na2KSb基底层的厚度达到S25-R多碱光电阴极中Na2KSb基底层的厚度，之后移除栅网；步骤三：进行Cs3Sb表面层的制作。
进一步地，所述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法步骤一中，采用锑-钾交替的方法循环进行3次制作Na2KSb基底层。
进一步地，所述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法步骤二中，采用锑-钾交替的方法循环进行24次制作Na2KSb基底层。
进一步地，所述栅网距阴极玻璃窗的距离为1mm～5mm。
进一步地，所述栅网的占空比为40％～60％。
进一步地，所述栅网的形状可为放射状或方孔状。
进一步地，所述栅网的材料为304不锈钢，厚度为0.15mm～0.5mm。
另一方面，本发明提出了一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极，其采用前述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法制得。
多碱光电阴极的制作采用传统的真空蒸发化学反应合成技术。其基本原理是在200℃温度条件下，蒸发Na、K和Sb原子，使三种原子发生化学反应生成Na2KSb基底层，当获得所需的厚度以后，再在160℃温度条件下蒸发Cs原子和Sb原子，在Na2KSb基底层上形成Cs3Sb表面层。在具体的制作工艺过程中，Na2KSb基底层的厚度是通过控制锑-钾交替的次数来达到的。所谓锑-钾交替是指在Na2KSb基底层的制作过程中，使其厚度增加的一种方法。即在Na2KSb基底层的制作过程中，每一次增加Na2KSb基底层的厚度是以先蒸发Na开始的，之后多次交替依次蒸发Sb和K，直到交替过程中所蒸发的K、Sb与之前所蒸发的Na完全反应生成Na2KSb基底层。根据经验，对于紫外光谱响应较好的S20-B多碱阴极，只需要进行3次锑-钾交替即可以达到所需厚度，而对于近红外响应较好的S25-R多碱阴极，需要进行27次锑-钾交替才能达到所需厚度。
本发明的宽光谱响应透射式多碱光电阴极的制作方法，是在Na2KSb基底层的制作过程中，当其厚度达到S20-B多碱光电阴极的所需厚度时，在多碱光电阴极前端放置一个栅网，然后继续进行Na2KSb基底层的制作，使其达到S25-R多碱光电阴极的最佳厚度。之后，移除多碱光电阴极前端的栅网，继续进行Cs3Sb表面层的制作。在制作过程中，当多碱光电阴极的厚度达到S20-B阴极所要求的厚度时，在多碱光电阴极的前端放置一个栅网，由于栅网的阻挡作用，光电阴极面上被阻挡的一部分位置上不再能够蒸镀上Na2KSb阴极膜层，因此阴极膜层的厚度就停止了长了，而没有被栅网阻挡部分的阴极表面随着K、Na和Sb的不断蒸发而厚度不断增加，当达到S25-R多碱光电阴极的厚度时，停止Na2KSb基底层的制作。之后移除多碱光电阴极前的栅网，进行表面层Cs3Sb的蒸发。Cs3Sb表面层的蒸发也采用传统的制作方法制作。该多碱光电阴极制作的原理示意图见图4。
本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：
(1)本发明方法操作简单，采用传统的多碱光电阴极制作方法，只需在制作过程中适时的放置一个栅网即可完成，可操作性强，适于推广。(2)采用本发明方法制作的多碱光电阴极，同时兼备较高的紫外以及较高近红外光谱响应，在真空光电探测系统中，使用该多碱光电阴极的探测器相当于分别同时使用含S20-B多碱光电阴极以及含S25-R多碱光电阴极的两者探测器，有效简化系统设置，降低系统成本。
附图说明
图1是本发明背景技术中多碱光电阴极结构示意图。
图2是本发明背景技术中多碱光电阴极光电发射原理示意图。
图3是背景技术中典型S25-R多碱光电阴极与S20-B多碱光电阴极的光谱响应曲线图。
图4是多碱光电阴极制作方法的原理示意图。
图5是本发明方法所制作的多碱光电阴极表面结构示意图。
图6是采用本发明方法所制作的宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的光谱响应曲线图。
图7是放射状的栅网示意图。
图8是方孔状的栅网示意图。
其中，图例说明为：1-阴极玻璃窗；2-Na2KSb基底层；3-Cs3Sb表面层；4-入射光；5-光电子；6-栅网。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
利用本发明提出的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法制作非成像型的宽光谱响应多碱光电阴极。对于非成像型的真空光电探测器件，制作宽光谱响应多碱光电阴极时，采用放射状的栅网，见图7。
宽光谱多碱光电阴极的制作工艺采用的多碱光电阴极制作工艺。阴极玻璃窗采用合成石英玻璃窗，材料的牌号为JGS1。基本的方法是将阴极玻璃窗，蒸发源K、Na、Cs和Sb、栅网等装入阴极制作设备的真空腔体中，然后抽真空，同时利用烘箱对真空腔体进行380℃的真空烘烤，时间为12小时。经过高温烘烤，真空腔体的真空度应不低于10-8托。真空烘烤完成以后，将烘箱的烘烤温度降到200℃并保温2小时，之后开始制作多碱光电阴极。采用传统的锑-钾交替的方法制作Na2KSb基底层，通过3次锑-钾交替完成S20-B多碱光电阴极的制作。
之后在阴极玻璃窗与蒸发源之间移入栅网。栅网距阴极玻璃窗的距离约3mm。
移入栅网之后，继续进行通过锑-钾交替的方法制作Na2KSb基底层，通过24次锑-钾交替制作S25-R多碱光电阴极。之后移除栅网，将烘箱的烘烤温度降低到160℃，并保温1小时，之后进行Cs3Sb表面层的制作。Cs3Sb表面层的制作与传统S25-R多碱光电阴极的制作工艺一样。
制得的阴极玻璃窗上面的Na2KSb阴极膜层形成了薄厚相间的膜层。薄的部分相当于S20-B多碱光电阴极，而厚的部分则相当于S25-R多碱光电阴极。
实施例2
利用本发明提出的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法制作成像型的宽光谱响应多碱光电阴极。对于成像型的真空光电探测器件，制作宽光谱响应多碱光电阴极时，采用方孔状的栅网，见图8。在栅网的占空比相同的前提下，栅网的密度越高，多碱光电阴极的分辨力也越高。
宽光谱多碱光电阴极的制作工艺采用传统的多碱光电阴极制作工艺。阴极玻璃窗采用合成石英玻璃窗，材料的牌号为JGS1。基本的方法是将阴极玻璃窗，蒸发源K、Na、Cs和Sb、栅网等装入阴极制作设备的真空腔体中，然后抽真空，同时利用烘箱对真空腔体进行380℃的真空烘烤，时间为12小时。经过高温烘烤，真空腔体的真空度应不低于10-8托。真空烘烤完成以后，将烘箱的烘烤温度降到200℃并保温2小时，之后开始制作多碱光电阴极。
采用传统的锑-钾交替的方法制作Na2KSb基底层，通过3次锑-钾交替完成S20-B多碱光电阴极的制作。之后在阴极玻璃窗与蒸发源之间移入栅网。栅网距阴极玻璃窗的距离约4mm。
移入栅网之后，继续进行通过锑-钾交替的方法制作Na2KSb基底层，通过24次锑-钾交替制作S25-R多碱光电阴极，之后移除栅网，将烘箱的烘烤温度降低到160℃，并保温1小时，之后进行Cs3Sb表面层的制作。Cs3Sb表面层的制作与传统S25-R多碱光电阴极的制作工艺一样。
制得的阴极玻璃窗上面的Na2KSb阴极膜层形成了薄厚相间的膜层。薄的部分相当于S20-B多碱光电阴极，而厚的部分则相当于S25-R多碱光电阴极。
实施例3
利用本发明方法所制作的多碱光电阴极表面结构的示意图见图5。从图5可以看出，该多碱光电阴极与传统的多碱光电阴极相比较，其表面不是平的，被栅网阻挡的部分较薄，具有S20-B多碱光电阴极的特性；而未被栅网阻挡的部分较厚，具有S25-R多碱光电阴极的特性。较薄的部分可以对紫外光有较高的光谱响应，而较厚的部分近红外光有较高的光谱响应，因此其光谱响应是薄多碱光电阴极与厚多碱光电阴极光谱响应的叠加。典型的采用本发明方法所制作的宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的光谱响应曲线的见图6。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，仍然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法，其特征在于，该透射式多碱光电阴极的制作采用传统的多碱光电阴极制作方法，在Na2KSb基底层的制作过程中，当其厚度达到S20-B多碱光电阴极中Na2KSb基底层的所需厚度时，在多碱光电阴极的前端放置一个栅网，然后继续进行Na2KSb基底层的制作，使其厚度达到S25-R多碱光电阴极中Na2KSb基底层的厚度；之后，移除该栅网，继续进行Cs3Sb表面层的制作；
所述S20-B多碱光电阴极的光谱响应范围在200nm至750nm；S25-R多碱光电阴极的光谱响应范围在350nm至950nm。
2.根据权利要求1所述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法，其特征在于，该透射式多碱光电阴极的制作方法包括如下步骤：
步骤一：设置阴极玻璃窗，之后制作Na2KSb基底层；制作Na2KSb基底层时，采用传统的锑-钾交替的方法，所述Na2KSb基底层的厚度通过锑-钾交替的次数来进行控制，使Na2KSb基底层的厚度达到S20-B多碱光电阴极中Na2KSb基底层的所需厚度；
步骤二：在阴极玻璃窗与蒸发源之间设置栅网，继续采用锑-钾交替的方法制作Na2KSb基底层，直到Na2KSb基底层的厚度达到S25-R多碱光电阴极中Na2KSb基底层的厚度，之后移除栅网；
步骤三：进行Cs3Sb表面层的制作。
3.根据权利要求2所述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法，其特征在于，所述步骤一中，采用锑-钾交替的方法循环进行3次制作Na2KSb基底层。
4.根据权利要求2所述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法，其特征在于，所述步骤二中，采用锑-钾交替的方法循环进行24次制作Na2KSb基底层。
5.根据权利要求2所述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法，其特征在于，所述栅网距阴极玻璃窗的距离为1mm~5mm。
6.根据权利要求1或2所述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法，其特征在于，所述栅网的占空比为40%~60%。
7.根据权利要求6所述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法，其特征在于，所述栅网的形状为放射状或方孔状。
8.根据权利要求6所述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法，其特征在于，所述栅网的材料为304不锈钢，厚度为0.15mm~0.5mm。
9.一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极，其特征在于，其采用如权利要求1至8中任一项所述的一种宽光谱响应的透射式多碱光电阴极的制作方法制得。
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