CN112420476A - 用于近贴式光电探测器件的微通道板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于近贴式光电探测器件的微通道板及其制备方法，在微通道板的输入面上依次形成NiCr连接层、金属铝膜层以及铝膜表面氧化层，NiCr连接层直接覆盖在微通道板的输入面表面；微通道板的探测收集效率在98％以上，应用于近贴式光电探测器件中，能够大幅的提高器件的探测效率。

Description

用于近贴式光电探测器件的微通道板及其制备方法
技术领域
本发明涉及真空光电探测技术领域，具体而言涉及一种用于近贴式光电探测器件的微通道板及其制备方法，通过调整微通道板的开口面积比与表面膜层结构，提高微通道板的收集效率，从而实现近贴式光电探测器件的探测效率的提高。
背景技术
真空光电探测器件的性能指标中，对于有效光信号的探测效率是一个重要指标，为了实现更高的探测效率，需要不断提升光电阴极将光子转化为光电子的量子效率/灵敏度，同时改进优化微通道板等电子倍增器对于光电子的收集效率。在解决光电探测器件的探测效率过程中，提升阴极灵敏度和提高微通道板收集效率大都是独立进行，相互之间是分立的。
阴极膜层的厚度是影响阴极量子效率/灵敏度性能指标的重要方面。在多碱阴极体系中，阴极膜层厚度比较厚时，具有更高的光吸收能力，因此提高阴极灵敏度需要适当增加光电阴极的膜层厚度，但是厚度也不能无限制增加：在阴极进行光吸收之后在阴极内部产生的光生电子，需要迁移至光电阴极的表面进行发射才能够进入到空间中形成有效的真空光电子，对于多碱光电阴极，光电子在光电阴极内的平均迁移距离比较短，当膜层厚度较厚时，不利于光电子的迁移与逸出，反而会降低灵敏度，这就是多碱光电阴极中存在的“体积效应”，因此光电阴极的厚度存在一个最佳厚度，太薄与太厚均不利于光电阴极灵敏度的提升。
针对光电阴极灵敏度的提升，现有技术中的专利CN 104781903提出具有改善的吸收率的半透明的光电阴极，其公开一种新的光电阴极结构，利用微结构的光栅衍射效应，能够在不增加膜层厚度的同时增加波长较长的光在阴极内的传输距离，在一定程度上提升灵敏度。
微通道板的收集效率是影响光电探测器件探测效率的关键因素之一。经光电阴极转换出的光电子，在电场的作用下向微通道板的输入面迁移，常规微通道板输入面镀制的为NiCr金属电极，并且具有60％左右的开口面积比，进入到通道内的光电子能够有效的进行级联倍增实现信号的探测，而入射至表面NiCr电极表面的光电子，有很大的概率会被电极吸收而损失，限制了收集效率。针对常规微通道板的优化以提升光电子的收集效率已有多种方法。
例如专利CN 103762148 B一种用于光电倍增管的微通道板，公开了一种通过镀制单侧电极的方式，减少通道内电极对于信号收集的影响，但是无法大幅度的提高收集效率；专利CN 107785227 A一种低延迟脉冲、低串扰、高收集效率微通道板，提出了一种扩口设计，提高微通道板的开口面积比，主要在不改变时间特性的基础上提高收集效率，实现难度非常大，良品率低，很难获得成熟的工业应用；专利CN 106298427 A高收集效率微通道板、微通道板型光电倍增管及其制备方法，提出了一种使用ALD技术制作表面氧化铝膜层提高微通道板收集效率及收集效率的均匀性；专利CN 103168339 B具有纳米金刚石层的电子倍增器设备，提出了一种具有金刚石层功能膜层结构的电子倍增器，该电子倍增器设备对于不变的或增加的信噪比或上升时间而言具有高的全域增益；专利CN 106847649 B一种提高微通道板增益的方法，提出了一种镀制氧化铝等材料的方式，在实现提高增益目的的同时，也具有提高对于光电子的收集能力，提高微通道板的收集效率。
上述多个专利公开的内容，已能够实现微通道板收集效率的大幅提升。但是，在上述方法中，均是针对微通道板本身，在提高光电探测器件的探测效率方面仅解决微通道板收集效率问题，而未能够与光电阴极相互结合，辅助提升光电阴极的性能。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于近贴式光电探测器件的高探测率微通道板及其制备方法，在调整微通道板开口面积比的基础上，通过在微通道板输入端面镀制一层金属铝膜层并在表面进行可控原位氧化形成极薄的氧化铝膜层，金属铝膜层与表层的氧化铝膜层，具有极佳的宽光谱范围光反射性能与较高二次电子发射性能的功能膜层，镀制金属铝膜层材料是同时具备以上两种性能的最佳选择。
为实现上述目的而做出的本发明的第一方面提出一种用于近贴式光电探测器件的微通道板，在所述微通道板的输入面上依次形成NiCr连接层、金属铝膜层以及铝膜表面氧化层，所述NiCr连接层直接覆盖在微通道板的输入面表面；
所述微通道板的探测手机效率在97％以上。
优选地，在输入面镀制的NiCr连接层，膜层厚度20nm-50nm，镀制深度为0.5D-1.0D，其中D为微通道板的通道孔径。
优选地，所述金属铝膜层的厚度为10nm-80nm，镀膜深度为0.5D-5.0D，其中D为微通道板通道孔径。
优选地，所述金属铝膜层覆盖微通道板的端面以及部分地覆盖通道侧壁，并且在所述微通道板的通道侧壁上，沿着通道深入方向的膜层厚度成渐变趋势。
其中，膜层镀制在覆盖微通道板端面并朝通道内延伸。
优选地，所述铝膜表面氧化层的厚度为1nm-10nm。
优选地，所述微通道板的开口面积比在25％-70％。
根据本发明的第二方面还提出一种用于近贴式光电探测器件的微通道板的制备方法，包括以下步骤：
在通道板开口面积比在25％-70％的基础上，在微通道板的输入面表面蒸镀一层NiCr连接层，并在NiCr连接层上蒸镀金属铝膜；
使用臭氧对金属铝膜进行原位氧化获得表面氧化层。
优选地，在输入面镀制的NiCr连接层，膜层厚度20nm-50nm，镀制深度为0.5D-1.0D，其中D为微通道板的通道孔径。
优选地，所述金属铝膜层的厚度为10nm-80nm，镀膜深度为0.5D-5.0D，其中D为微通道板通道孔径。
优选地，所述金属铝膜层覆盖微通道板的端面以及部分地覆盖通道侧壁，并且在所述微通道板的通道侧壁上，沿着通道深入方向的膜层深度成渐变趋势。
优选地，所述铝膜表面氧化层的厚度为1nm-10nm。
在镀制金属铝膜层并进行原位氧化后，使用单片高探测率微通道板或者双片呈“V”字型叠加或三片呈“Z”字型叠加的方式安装于近贴式光电探测器件中，如光电倍增管、像增强器等，用于微弱光信号的探测，提高微通道板的探测收集效率达到97％，大幅度提高整体器件的探测效率，达到25％-30％。
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是本发明示例性实施例的微通道板工作原理示意图。
图2是本发明示例性实施例的微通道板表面膜层结构示意图。
图3是本发明示例性实施例的微通道板制备设备示意图。
图4是本发明示例性实施例的多种膜层材料宽光谱反射特性及光吸收特性。
附图标记说明：
1-入射光信号；2-阴极窗；3-光电阴极；4-光电子；5-微通道板表面光、电功能膜层；6-微通道板；7-微通道板表面光、电功能膜层分层结构；8-氧气；9-臭氧发生器；10-进臭氧阀门V1；11-待镀膜微通道板；12-盛放铝镀膜料坩埚；13-电子枪；14-镀膜机腔体；15-高阀；16-冷泵；17-再生阀；18-机械泵；19-低阀。
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。
本发明目的旨在提出一种用于近贴式光电探测器件的高探测率微通道板及其制备方法，在调整微通道板开口面积比的基础上，通过在微通道板输入端面镀制一层金属铝膜层并在表面进行可控原位氧化形成极薄的氧化铝膜层，金属铝膜层与表层的氧化铝膜层，具有极佳的宽光谱范围光反射性能(见图4)与较高二次电子发射性能的功能膜层，镀制金属铝膜层材料是同时具备以上两种性能的最佳选择。
其中，极佳的光反射特性，在应用在近贴式光电探测器件中时，能够将透光光电阴极的光线再次反射至光电阴极，从而提高光电阴极灵敏度以提高整体光电探测器件的探测率，并且，由于具有新工作模式，光电阴极的膜层厚度再次进行优化平衡，适当减薄阴极膜层厚度可以获得整体更佳的灵敏度；表面极薄的氧化铝膜层，具有很好的二次电子发射特性，入射至膜层表面的电子能够产生二次电子并进入到相邻的通道中形成倍增而探测，极大的提高微通道板的收集效率。
本发明提出的用于近贴式光电探测器件中的高探测率微通道板工作状态示意图如图1所示，进入到光电阴极中的光子，除了发生了光吸收但是未能够成功逸出至真空中的光子信号，其余与微通道板相关的主要有四种信号类型，如图1中①、②、③、④四种情况所示：
①产生光电子经表面二次电子发射后进入通道实现探测
②产生光电子直接进入通道实现探测
③入射光线透过阴极后经微通道板表面反射至阴极再产生光电子，经微通道板表面产生二次电子进入到通道中实现探测
④入射光纤透过阴极后进入到通道中，未能实现探测
以上四种情况：使用常规的微通道板，仅能够探测到情况②中的信号；采用表面镀制氧化铝膜层等，能够探测到情况①和情况②中的信号；而采用本发明的高探测率微通道板，能够到探测到情况①、情况②和情况③中的信号。基于本发明提出的高探测率微通道板，可以降低微通道板的开口面积比，尽可能的减小情况④的光信号，从而大幅提高近贴式光电探测器件的探测效率。
采用本发明提出的高探测率微通道板制作的近贴式光电探测器件的探测效率为：
DE＝n1×(QE×CE+n2×(1-OAR)×nF×QE1)
其中：DE为探测效率；n1为阴极窗光透过率；QE为光电阴极透射工作状态量子效率；CE为MCP的收集效率；n2为光电阴极的光透过率；OAR为微通道板的开口面积比；nF为微通道板表面金属膜层的光反射率；QE1为光电阴极反射式工作时的量子效率。
根据本发明公开的实施例的微通道板的制备工艺中，在通道板开口面积比在25％-70％的基础上，在微通道板的输入面表面蒸镀一层NiCr连接层，并在NiCr连接层上蒸镀金属铝膜；再使用臭氧对金属铝膜进行原位氧化获得表面氧化层。
其中，在微通道板的输入面上依次形成的NiCr连接层、金属铝膜层以及铝膜表面氧化层形成的微通道板表面光、电功能膜层5，结合图1所示，可实现对前述情况①、情况②和情况③中的信号的有效探测。
进一步的，在输入端镀制NiCr膜层作为连接层，膜层厚度20nm-50nm，镀膜深度为0.5D-1.0D(其中D为微通道板通道孔径)。
进一步的，在输入端镀制金属铝膜层的厚度为10nm-80nm，镀膜深度为0.5D-5.0D(其中D为微通道板通道孔径)。
进一步的，使用臭氧对镀制的金属铝表面进行原位氧化，形成的厚度均匀的氧化层，表面氧化层厚度为1nm-10nm，在此厚度范围内，表层氧化铝膜层对于入射电子的二次电子发射系数均大于1，能够达到对入射电子进行二次电子发射与收集的作用，氧化层厚度大于10nm之后，会因导电性不足引其光电探测器件的其他问题，如阴极衰退等。
结合图3所示，本发明示例性实施例中提出一种用于近贴式光电探测器件的高探测率微通道板的制备过程，在调整微通道板开口面积比的基础上，通过在微通道板输入端面镀制一层金属铝膜层并在表面进行可控原位氧化形成极薄的氧化铝膜层，金属铝膜层与表层的氧化铝膜层，具有极佳的宽光谱范围光反射性能(见图4)与较高二次电子发射性能的功能膜层。具体制作方式如下：
(1)首先按照使用加厚的皮料管(7mm)与常规的芯料棒，按照常规微通道板的制备工艺流程制备开口面积比为35％的微通道板基底，将开口面积比从常规的60％左右缩小至35％；
(2)制备出的微通道板基底，在输入面采用本发明提出的方法进行复合功能膜层的制作，先镀制一层NiCr膜层作为连接层，镀膜真空度优于1×10-3Pa，镀制深度为0.5D，镀制膜层厚度为20nm，提高膜层对于MCP表面的附着力；
(3)进一步的，在镀制NiCr连接层的基础上，将微通道板夹具放入镀制铝膜层镀膜机工装中，先使用机械泵抽低真空，再关闭低阀，开启高阀，使用冷泵抽高真空，镀膜真空度优于1×10-5Pa后，镀制金属铝膜层，镀膜速率为0.2nm/s，镀膜深度为1.5D，镀膜是工装自转速度为每30秒一圈，镀膜厚度为50nm；
(4)进一步的，关闭高阀，将氧气通入臭氧发生器中，氧气流量为1000sccm，臭氧浓度达到20％，开启进臭氧阀门约10min，真空镀膜机中压力增加至5000Pa左右后，关闭进臭氧阀门，关闭臭氧发生器，继续维持10min，使臭氧将镀制的金属铝表面进行原位氧化，形成的厚度均匀的氧化层，氧化层厚度为4nm；
(5)进一步的，开启机械泵，将镀膜机中的臭氧等气体抽出，至真空度优于0.1Pa后，在关闭低阀，关闭机械泵，放气，取出微通道板。
(6)进一步的，将输入面镀制铝膜层并使用臭氧进行表面氧化后的微通道板，使用单片，用于近贴式像增强器中。
通过调整皮料管厚度可以方便的进行开口面积比的调整，与正常微通道板进行对比，多组实施例性能测试结果如下：
Figure BDA0002753983050000081
与正常微通道板相比，本发明提出的高探测率微通道板，应用于近贴式光电探测器件中，能够大幅的提高器件的探测效率。
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)

1.一种用于近贴式光电探测器件的微通道板，其特征在于，在所述微通道板的输入面上依次形成NiCr连接层、金属铝膜层以及铝膜表面氧化层，所述NiCr连接层直接覆盖在微通道板的输入面表面；
所述微通道板的探测收集效率在98％以上。
2.根据权利要求1所述的用于近贴式光电探测器件的微通道板，其特征在于，在输入面镀制的NiCr连接层，膜层厚度20nm-50nm，镀制深度为0.5D-1.0D，其中D为微通道板的通道孔径。
3.根据权利要求1所述的用于近贴式光电探测器件的微通道板，其特征在于，所述金属铝膜层的厚度为10nm-80nm，镀膜深度为0.5D-5.0D，其中D为微通道板通道孔径。
4.根据权利要求1所述的用于近贴式光电探测器件的微通道板，其特征在于，所述金属铝膜层覆盖微通道板的端面以及部分地覆盖通道侧壁，并且在所述微通道板的通道侧壁上，沿着通道深入方向的膜层厚度成渐变趋势。
5.根据权利要求1所述的用于近贴式光电探测器件的微通道板，其特征在于，所述铝膜表面氧化层的厚度为1nm-10nm。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的用于近贴式光电探测器件的微通道板，其特征在于，所述微通道板的开口面积比在25％-70％。
7.一种用于近贴式光电探测器件的微通道板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在通道板开口面积比在25％-70％的基础上，在微通道板的输入面表面蒸镀一层NiCr连接层，并在NiCr连接层上蒸镀金属铝膜；
使用臭氧对金属铝膜进行原位氧化获得表面氧化层。
8.根据权利要求7所述的用于近贴式光电探测器件的微通道板的制备方法，其特征在于，在输入面镀制的NiCr连接层，膜层厚度20nm-50nm，镀制深度为0.5D-1.0D，其中D为微通道板的通道孔径。
9.根据权利要求7所述的用于近贴式光电探测器件的微通道板的制备方法，其特征在于，所述金属铝膜层的厚度为10nm-80nm，镀膜深度为0.5D-5.0D，其中D为微通道板通道孔径。
10.根据权利要求7所述的用于近贴式光电探测器件的微通道板的制备方法，其特征在于，所述金属铝膜层覆盖微通道板的端面以及部分地覆盖通道侧壁，并且在所述微通道板的通道侧壁上，沿着通道深入方向的膜层深度成渐变趋势。
11.根据权利要求7所述的用于近贴式光电探测器件的微通道板的制备方法，其特征在于，所述铝膜表面氧化层的厚度为1nm-10nm。
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CN113445010A (zh) * 2021-06-29 2021-09-28 北方夜视技术股份有限公司 在微通道板通道阵列制备复合金属膜层过程中减少开口面积比损失量的工艺及微通道板
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