CN111261472B - 低热发射的光电阴极、光电倍增管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电倍增管技术领域，尤其涉及光电阴极，公开了一种低热发射的光电阴极、光电倍增管及其制备方法。低热发射的光电阴极包括在玻璃容器基底内表面依次形成的基底层、体内层以及表面层，所述表面层位于最外侧，其中：所述体内层包括双碱阴极K2CsSb；所述表面层包括Cs2Te层。所述基底层为Al2O3膜层。采用本发明的含有表面层Cs2Te的光电阴极的光电倍增管，通过将Cs2Te表面层蒸镀在K2CsSb双碱阴极的表面，改变K2CsSb光电阴极的表面势垒，从而达到阻隔由于热发射产生的光电子进入真空中的目的，降低光电倍增管的暗电流，改善整管的噪声性能。

Description

低热发射的光电阴极、光电倍增管及其制备方法
技术领域
本发明属于光电阴极技术领域，具体涉及一种低热发射的光电阴极、光电倍增管及其制备方法。
背景技术
光电倍增管是将微弱的光信号转换成电信号并对电信号进行倍增放大的真空电子器件，能够对极微弱光线进行有效的探测，能够广泛应用于极微弱光探测、光子探测、化学发光、生物发光等研究领域。然而光电倍增管的抗噪声性却较差，大噪声会对信号的准确性测量产生影响。为了更加精准的测量微弱的信号，科研人员对光电倍增管低噪声方面提出了更高的要求。
光电倍增管噪声的来源包括光电阴极的热发射、残余气体的电离、倍增级串产生的噪声等，其中光电阴极由于热发射产生的电子是光电倍增管暗电流的关键影响部分。
发明内容
本发明的第一方面的目的在于提出一种低热发射的光电阴极，包括在玻璃容器基底内表面依次形成的基底层、体内层以及表面层，所述表面层位于最外侧，其中：
所述体内层包括双碱阴极K2CsSb；
所述表面层包括Cs2Te层。
进一步的实施例中，所述基底层为Al2O3增透膜。
进一步的实施例中，所述基底层、体内层以及表面层通过蒸镀方式在所述玻璃容器基底内表面依次成膜。
本发明的另一方面还提出一种包括前述低热发射的光电阴极的光电倍增管。
进一步的实施例中，所述光电阴极的暗电流低于33.8KHZ。
根据本发明还提出一种低热发射的光电阴极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在玻璃容器基底内表面蒸镀Al2O3基底层；
步骤2、在Al2O3基底层上蒸镀K2CsSb双碱阴极以及Cs2Te表面层。
进一步的实施例中，所述步骤2包括以下过程：
利用加热的方式对玻璃容器基底以及基底层进行高温除气，除气温度大于300℃；
通过热蒸发的方式蒸镀底钾层；
通过增加锑源电流的方式使锑源蒸发到底钾层上形成锑膜；
通过增加电流的方式加热钾源，使其与生成的锑膜反应，生成K3Sb结构；
通过增加电流的方式使碲源蒸发到K3Sb层上，形成碲膜；
通过增加电流的方式加热铯源，使其与生成的K3Sb反应生成K2CsSb双碱阴极，以及与形成的碲膜反应生成Cs2Te表面层，如此制得低热发射的光电阴极；
其中，在蒸镀过程中，采用光电流和反射率监控的方式控制膜层蒸镀。
进一步的实施例中，所述步骤2的高温除气处理过程中，以2℃/min的速度均匀增加加热温度以达到预设的烘烤除气温度，预设的烘烤除气温度大于300℃；在达到烘烤除气温度后进行保温处理，保温时间大于3小时。
进一步的实施例中，在高温除气后，当温度降至200℃以下时，调节钾源、铯源、锑球和碲球的电流分布为3.5A、2.0A、0.5A、0.2A，然后按0.2A/min的速率增加钾源的电流直到5.5A，进行除气处理；当钾电流达到5.5A时，光电流监测系统的光电流曲线开始上升；
然后，然后按照0.2A/10min的速率增加钾电流，制作钾层，直到光电流达到峰值并保持恒定时，玻璃容器内的钾含量趋于饱和，钾层蒸镀过程结束；其中在钾蒸镀过程中反射率监控系统中监控的反射率曲线保持不变。
进一步的实施例中，在钾层蒸镀过程结束后，保持钾蒸发电流不变，并按照0.2A/min的速率增加锑球电流至反射率开始下降，此时锑球电流为1.7A，维持此时的锑球电流不变3min；再增加锑球电流0.5A，再维持此时电流5min不变，其中反射率一直在下降；然后，再增加锑球电流0.3A，维持此时的锑源电流，直至反射率开始变大，然后再维持此时的蒸镀电流10min，然后关闭锑源电流，锑薄膜蒸镀结束。
进一步的实施例中，在锑薄膜蒸镀结束后，以0.2A/10min的速率增加钾电流，使生成的钾与蒸镀的锑薄膜反应，直至两者充分反应，形成K3Sb；
然后，关闭钾的蒸发电流，并按照0.2A/min的速率增加碲球电流至光电流开始下降，此时碲球的电流为1A，在光电流下降到开始光电流的70％～90％时，关闭碲蒸发电流，碲膜制作完毕；
碲膜制作完毕后，进行铯源的蒸镀，初始电流为4.5A，按照0.1A/min增加到7A，光电流持续上升，经过1小时后，反射率上升到初始值得1.8倍，使铯原子与碲膜反应生成Cs2Te表面层，与K3Sb内部的钾原子置换形成K2CsSb双碱阴极；
至此，结束光电阴极的制备过程。
由于热发射产生的光电子的能量一般较小，因此在本发明提出的在双碱阴极的基础上设置Cs2Te表面层，通过提高光电阴极表面的势垒，以达到阻隔由于热发射产生的光电子进入真空的目的，从而降低光电阴极的暗电流。本发明所使用的Cs2Te的禁带宽度大于K2CsSb，因此当Cs2Te表面层蒸镀在K2CsSb双碱阴极的表面时，可以改变K2CsSb光电阴极的表面势垒，从而达到阻隔由于热发射产生的光电子进入真空中的目的。
如此，本发明的实施例中，通过使用低热发射的光电阴极，使得本发明制备的光电倍增管的暗电流从40KHZ降低到20KHZ。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为光电阴极结构示意图。
图2为光电阴极体内层到表面层的能带结构示意图。
图3为光电阴极的制备方法流程示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
图1所示示例性第表示了本发明提出的低热发射的光电阴极的结构示意图，如图1示例的光电阴极包括在玻璃容器基底1内表面依次形成的基底层2、体内层3以及表面层4，表面层4位于最外侧。
体内层3包括双碱阴极K2CsSb，为高量子效率的双碱阴极。
表面层4包括Cs2Te层，形成在双碱阴极K2CsSb上。
优选地，基底层为Al2O3增透膜，可采用现有的制备方式形成到基底面上。
优选的实现方式是，基底层2、体内层3以及表面层4均通过蒸镀方式在所述玻璃容器基底内表面，并依次成膜。
结合图1、图2所示，入射光hν从光电阴极的从基底层1一侧进入，从表面层4射出光电子e-。
图2为光电阴极体内层到表面层的能带结构示意图。Ec为导带，Ev为价带，EF为费米能级，Evac为真空能级，Eg为禁带宽度。因此，从图1中可以看到当入射光照射到光电阴极上时，价带中的电子可以获得光子能力并跃迁到导带，具有不同能量的电子在向阴极表面输运过程中会发生热化，能够到达阴极表面的电子中，只有能量较高的电子才会跃过表面势垒被激发到真空中去。
因此，由于热发射产生的光电子的能量一般较小，因此在本发明提出的在双碱阴极的基础上设置Cs2Te表面层，通过提高光电阴极表面的势垒，以达到阻隔由于热发射产生的光电子进入真空的目的，从而降低光电阴极的暗电流。本发明所使用的Cs2Te的禁带宽度大于K2CsSb，因此当Cs2Te表面层蒸镀在K2CsSb双碱阴极的表面时，可以改变K2CsSb光电阴极的表面势垒，从而达到阻隔由于热发射产生的光电子进入真空中的目的。
如此，本发明的实施例中，通过使用低热发射的光电阴极，使得本发明制备的光电倍增管的暗电流从传统的40KHZ等级水平降低到20KHZ等级水平，降低暗电流，显著改善整管的噪声水平。
图3示例性地表示了本发明的光电阴极的制备过程。根据图3的实施例的示例性的制备过程包括两个基本工艺：在玻璃容器基底内表面蒸镀Al2O3基底层以及在Al2O3基底层上蒸镀K2CsSb双碱阴极和Cs2Te表面层。
在玻璃基底上制备Al2O3基底层的工艺，可以采用现有的工艺实现，在此不作赘述。本发明将在具体的实施例中具体参数体内层3和表面层4的蒸镀与制备。
首先，将已经蒸镀好Al2O3基底层的玻璃容器置于真空系统中，例如可通过夹具进行支撑和安装。真空系统内部可设置加热系统(例如电阻丝加热系统)、反射率监控系统和光电流监控系统，通过反射率监控和光电流监控实现对膜层蒸镀过程的控制。反射率监控系统和光电流监控系统可通过现有技术中公开的方式实现，例如在CN109321887A、CN109755081A、CN110854001A等申请中公开的监控方式或者依照其公开的方式进行适应性应用到本发明中的监控方式。
将包括钾源、铯源、锑球和碲球的阴极组件伸入真空容器中，调整阴极组件的位置，使锑球在玻璃容器的赤道平面偏下的位置，然后进行体内层和表面层的蒸镀，包括下述过程：
利用加热的方式对玻璃容器基底以及基底层进行高温除气，除气温度大于300℃；
通过热蒸发的方式蒸镀底钾层；
通过增加锑源电流的方式使锑源蒸发到底钾层上形成锑膜；
通过增加电流的方式加热钾源，使其与生成的锑膜反应，生成K3Sb结构；
通过增加电流的方式使碲源蒸发到K3Sb层上，形成碲膜；
通过增加电流的方式加热铯源，使其与生成的K3Sb反应生成K2CsSb双碱阴极，以及与形成的碲膜反应生成Cs2Te表面层，如此制得低热发射的光电阴极；
其中，在蒸镀过程中，采用光电流和反射率监控的方式控制膜层蒸镀。
优选的例子中，在高温除气处理过程中，以2℃/min的速度均匀增加加热温度以达到预设的烘烤除气温度，预设的烘烤除气温度大于300℃；在达到烘烤除气温度后进行保温处理，保温时间大于3小时。
优选的例子中，在高温除气后，当温度降至200℃以下时，调节钾源、铯源、锑球和碲球的电流分布为3.5A、2.0A、0.5A、0.2A，然后按0.2A/min的速率增加钾源的电流直到5.5A，进行除气处理；当钾电流达到5.5A时，光电流监测系统的光电流曲线开始上升；
然后，然后按照0.2A/10min的速率增加钾电流，制作钾层，直到光电流达到峰值并保持恒定时，玻璃容器内的钾含量趋于饱和，钾层蒸镀过程结束；其中在钾蒸镀过程中反射率监控系统中监控的反射率曲线保持不变。
优选的例子中，在钾层蒸镀过程结束后，保持钾蒸发电流不变，并按照0.2A/min的速率增加锑球电流至反射率开始下降，此时锑球电流为1.7A，维持此时的锑球电流不变3min；再增加锑球电流0.5A，再维持此时电流5min不变，其中反射率一直在下降；然后，再增加锑球电流0.3A，维持此时的锑源电流，直至反射率开始变大，然后再维持此时的蒸镀电流10min，然后关闭锑源电流，锑薄膜蒸镀结束。
优选的例子中，在锑薄膜蒸镀结束后，以0.2A/10min的速率增加钾电流，使生成的钾与蒸镀的锑薄膜反应，直至两者充分反应，形成K3Sb；
然后，关闭钾的蒸发电流，并按照0.2A/min的速率增加碲球电流至光电流开始下降，此时碲球的电流为1A，在光电流下降到开始光电流的70％～90％时，关闭碲蒸发电流，碲膜制作完毕；
碲膜制作完毕后，进行铯源的蒸镀，初始电流为4.5A，按照0.1A/min增加到7A，光电流持续上升，经过1小时后，反射率上升到初始值得1.8倍，使铯原子与碲膜反应生成Cs2Te表面层，与K3Sb内部的钾原子置换形成K2CsSb双碱阴极；
至此，结束光电阴极的制备过程。
为了对比增加了表面层Cs2Te降低暗电流的效果，我们采用上述制备工艺试验制备了5组没有表面层Cs2Te与含有表面层Cs2Te的光电阴极以及装配形成样管，样管的测试数据对照结果见表1。
表1
Figure BDA0002433667220000051
由表1看出，含有表面层Cs2Te的光电阴极量子效率略微降低，最大的一组数据中，量子效率降低9.5％，但整管的暗电流降低更加明显，暗电流降低了24％以上，在其他组示例中，含有表面层Cs2Te的光电阴极量子效率与不含表面层Cs2Te的光电阴极的量子效率基本上相当，降低的幅度在5％以内，但含有表面层Cs2Te的光电阴极带来整管的暗电流降低幅度均在35％以上，甚至达到了60％以上，因此可见，在基本保证光电阴极的量子效率的前提下，采用本发明的含有表面层Cs2Te的光电阴极的光电倍增管，其暗电流明显低于没有表面层Cs2Te的光电阴极制备的光电倍增管，显著改善其因为暗电流造成的噪声。
从上述实施例可见，采用本发明的含有表面层Cs2Te的光电阴极的光电倍增管，通过将Cs2Te表面层蒸镀在K2CsSb双碱阴极的表面，改变K2CsSb光电阴极的表面势垒，从而达到阻隔由于热发射产生的光电子进入真空中的目的，使得光电倍增管的暗电流低于33.8KHZ。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (11)

1.一种低热发射的光电阴极，其特征在于，包括在玻璃容器基底内表面依次形成的基底层、体内层以及表面层，所述表面层位于最外侧，其中：
所述体内层包括双碱阴极K2CsSb；
所述表面层包括Cs2Te层。
2.根据权利要求1所述的低热发射的光电阴极，其特征在于，所述基底层为Al2O3增透膜。
3.根据权利要求1所述的低热发射的光电阴极，其特征在于，所述基底层、体内层以及表面层通过蒸镀方式在所述玻璃容器基底内表面依次成膜。
4.一种包括权利要求1-3中任意一项所述的低热发射的光电阴极的光电倍增管。
5.根据权利要求4所述的光电倍增管 ，其特征在于，所述光电倍增管的暗电流低于33.8KHZ。
6.一种低热发射的光电阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在玻璃容器基底内表面蒸镀Al2O3基底层；
步骤2、在Al2O3基底层上蒸镀K2CsSb双碱阴极以及Cs2Te表面层。
7.根据权利要求6所述的低热发射的光电阴极的制备方法，其特征在于，所述步骤2包括以下过程：
利用加热的方式对玻璃容器基底以及基底层进行高温除气，除气温度大于300℃；
通过热蒸发的方式蒸镀底钾层；
通过增加锑源电流的方式使锑源蒸发到底钾层上形成锑膜；
通过增加电流的方式加热钾源，使其与生成的锑膜反应，生成K3Sb结构；
通过增加电流的方式使碲源蒸发到K3Sb层上，形成碲膜；
通过增加电流的方式加热铯源，使其与生成的K3Sb反应生成K2CsSb双碱阴极，以及与形成的碲膜反应生成Cs2Te表面层，如此制得低热发射的光电阴极；
其中，在蒸镀过程中，采用光电流和反射率监控的方式控制膜层蒸镀。
8.根据权利要求7所述的低热发射的光电阴极的制备方法，其特征在于，所述步骤2的高温除气处理过程中，以2℃/min的速度均匀增加加热温度以达到预设的烘烤除气温度，预设的烘烤除气温度大于300℃；在达到烘烤除气温度后进行保温处理，保温时间大于3小时。
9.根据权利要求7所述的低热发射的光电阴极的制备方法，其特征在于，在高温除气后，当温度降至200℃以下时，调节钾源、铯源、锑球和碲球的电流分布为3.5A、2.0A、0.5A、0.2A，然后按0.2A/min的速率增加钾源的电流直到5.5A，进行除气处理；当钾电流达到5.5A时，光电流监测系统的光电流曲线开始上升；
然后，然后按照0.2A/10min的速率增加钾电流，制作钾层，直到光电流达到峰值并保持恒定时，玻璃容器内的钾含量趋于饱和，钾层蒸镀过程结束；其中在钾蒸镀过程中反射率监控系统中监控的反射率曲线保持不变。
10.根据权利要求9所述的低热发射的光电阴极的制备方法，其特征在于，在钾层蒸镀过程结束后，保持钾蒸发电流不变，并按照0.2A/min的速率增加锑球电流至反射率开始下降，此时锑球电流为1.7A，维持此时的锑球电流不变3min；再增加锑球电流0.5A，再维持此时电流5min不变，其中反射率一直在下降；然后，再增加锑球电流0.3A，维持此时的锑源电流，直至反射率开始变大，然后再维持此时的蒸镀电流10min，然后关闭锑源电流，锑薄膜蒸镀结束。
11.根据权利要求10所述的低热发射的光电阴极的制备方法，其特征在于，在锑薄膜蒸镀结束后，以0.2A/10min的速率增加钾电流，使生成的钾与蒸镀的锑薄膜反应，直至两者充分反应，形成K3Sb；
然后，关闭钾的蒸发电流，并按照0.2A/min的速率增加碲球电流至光电流开始下降，此时碲球的电流为1A，在光电流下降到开始光电流的70％～90％时，关闭碲蒸发电流，碲膜制作完毕；
碲膜制作完毕后，进行铯源的蒸镀，初始电流为4.5A，按照0.1A/min增加到7A，光电流持续上升，经过1小时后，反射率上升到初始值的 1.8倍，使铯原子与碲膜反应生成Cs2Te表面层，与K3Sb内部的钾原子置换形成K2CsSb双碱阴极；
至此，结束光电阴极的制备过程。
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光电阴极光谱响应特性代号的演变和对照表;严增濯;《真空电子技术》;19851231(第05期);全文 *

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CN111261472A (zh) 2020-06-09

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