CN114127885A - 真空系统用光电阴极 - Google Patents

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S·L·朗厄
须山本比吕
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Abstract

本发明涉及一种真空系统用光电阴极，其中，所述光电阴极被构成为接收具有入射波长的电磁辐射并且响应于此而发射电子。所述光电阴极包括具有几何形状的导电结构，所述几何形状包括尖端部分。当用电磁辐射照射导电结构时，尖端部分适合于提供场增强β，其中，β大于约102。所述光电阴极还包括基板，所述基板是电介质基板或包括电介质基板，所述基板支撑导电结构。

Description

真空系统用光电阴极
技术领域
本发明涉及一种真空系统用光电阴极。
背景技术
光电倍增管(PMT)或多通道板等的真空系统为了实现可见和紫外(UV)范围内的光的检测器而广为人知。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO未审查专利申请公开No.2015/028029
发明内容
技术问题
光电倍增管用于对非常少量的光进行灵敏检测，进一步低至单光子极限，因此对低光应用很有吸引力。然而，它们吸引人的特性仅在从红光到UV的光谱范围内有用。
专利文献1公开了一种用于基于强THz脉冲可以通过非微扰非线性相互作用从金属层的表面产生电子的超快场发射这样的原理，检测太赫兹辐射的装置。电子可以通过在金属附近同样被增强的THz场加速到数十eV的动能，并且可以用于氮等离子体的形成等在超快时间尺度上启动碰撞诱导的物理过程。
因此，改进的光电阴极将是有利的，尤其是对更宽波长范围灵敏的光电阴极将是有利的。
本发明的一个目的是提供现有技术的替代方案。
特别地，可以将提供一种解决具有受限的操作的波长范围的现有技术的上述问题的真空系统用光电阴极视为本发明的进一步的目的。
技术手段
因此，上述目的和若干其他目的在本发明的第一方面中通过提供真空系统用光电阴极来获得，其中，光电阴极被构成为接收具有入射波长的电磁辐射并且响应于此而发射电子。光电阴极包括具有几何形状的导电结构，该几何形状包括尖端部分。当用电磁辐射照射导电结构时，尖端部分适于提供场增强β，其中β大于约102。光阴极还包括基板，基板是电介质基板或包括电介质基板，基板支撑导电结构。通过使用由太赫兹和红外频率范围内的光子携带的电场，以这种方式形成的光电阴极能够实现有效的场发射。通过构建以下也称为“天线”的导电结构以提供足够高的场增强β，能够通过将能量紧密地集中在天线/真空界面实现电子发射。根据发明人的理解，这种约束对电子消除了天线材料与真空之间的电子势能差异，并允许后者从天线到真空进行量子隧穿(发射)。通过使相干电磁辐射撞击天线，这种电子发射过程以非线性方式增强。因此，本发明的光电阴极对于例如激光信号的相干信号的检测非常有用。
本发明的场增强可以用多种不同的天线结构/导电结构来实现，如下文进一步详述的那样，也可以基于光电阴极的期望特性进行选择。例如，一些结构可以在入射电磁辐射的宽波长范围内提供电子发射。可以设计其他结构以对窄带宽应用提供谐振，并且因此在该窄带内具有高灵敏度。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，尖端部分被构成为通过将电场集中在由约束体积V表示的体积中而提供场增强β，
Figure BDA0003429476300000021
约束体积是高度亚波长的。光子能量h·f和接收到的N个光子的自由空间电场ETHz之间的相关性也可以基于约束体积V而表示为下述式：
Figure BDA0003429476300000022
其中，假设磁和电的贡献与例如真空中的光的情况相等。通过将光子能量约束在一个小体积内，电场强度会增加。因此，约束电场相当于将光子能量约束在其波形中，反过来影响约束体积中的电势图景(electric potential landscape)。
在本发明中，控制发射的起始电流阈值的是隧道势垒宽度。即使对于恒定的光子能量，更高的电场约束也会产生更小的势垒宽度。因此，场增强β优选应该最大化以使隧道势垒宽度尽可能小。这可以通过最小化有效约束体积V来实现。
未正确地位于金属/真空界面处的电场的部分是不相关的。
在此，将发射器尖端视为发射区域Aem。靠近表面的电场使电势向下弯曲，从而产生厚度为wtu的隧道势垒。然后将隧道体积定义为Vtun＝Aem*wtu。位于该体积之外的任何光子能量都不会导致隧道效应，而是会增加发射电子的质动力。
在此，在物理上不可能将所有进入的能量集中到隧道体积Vtun，同时确保发射的电子进入真空，并同时确保纳米级的隧道势垒厚度。然而，通过以将尽可能多的光子能量带入隧道体积内的方式尽可能多地约束光子场，可以实现最佳性能。实际中可以实现的体积称为约束体积V。根据文中给出的公式定义，V是体积，其中光子电场处处恒定，并且体积中的积分电磁能等于h*f。这不等于天线的间隙体积，而是越优化的天线越接近。本发明人已经表明，对于足够小的间隙，一阶导数dE/dV根据文中的公式表现。这意味着光子能量的很大一部分(但不是100％)位于间隙体积内。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，尖端部分包括两个电极，这两个电极被间隙隔开，该间隙具有间隙宽度。
具有足够窄的间隙有助于将场约束在尖端部分，从而使V最小。另一方面，对于大间隙值，场很难被约束在间隙中，并且主要以边缘场的形式展开。对于小于垂直于基板的平面中的尖端部分的横截面面积的平方根约4倍的间隙宽度，场约束开始遵循分析预测。因此，间隙宽度应优选选择为大约该值以下。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，间隙宽度在大约1nm-1000nm的范围内，例如大约10nm-500nm，或者进一步大约20nm-100nm。已发现该范围内的间隙宽度可提供良好的场约束。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，两个电极作为第一电极和第二电极而被包括，并且选择第一电极的几何形状以提供第一场约束，并且选择第二电极的几何形状以提供第二场约束，第一场约束不同于第二场约束。以这种方式，可以使该结构对接收到的电磁辐射的极化和绝对场极性灵敏。
在本发明的一个实施方式中，第一电极可以具有笔直的尖端的几何形状，同时第二电极也可以具有T形几何形状。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，光电阴极被构成为在设计波长接收电磁辐射，设计波长在太赫兹范围或红外范围内。以此方式，可以针对特定波长优化光电阴极的性能。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，光电阴极被构成为接收宽带设计波长范围内的电磁辐射，宽带设计波长范围在太赫兹范围或红外范围内。以此方式，可以针对宽带使用优化光电阴极。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，导电结构具有偶极天线几何形状。这种几何形状的类型特别适合于在天线谐振波长接收电磁辐射。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，导电结构具有开口环几何形状。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，开口环几何形状是双开口环几何形状，其包括具有共同尖端部分和共同间隙的两个相互连接的环。这种结构的类型使波长范围更宽，因此非常适合接收宽波段内的电磁辐射。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，导电结构包括在红外波长下具有高导电率的导电材料，例如超过105S/m的导电率，例如超过5·105S/m的导电率，或者进一步超过106S/m的导电率。本发明的导电结构可以用许多不同的在相关波长范围内具有足够大的导电率的材料制造。
在本发明的一个实施方式中，导电材料包括导电陶瓷。
在本发明的一个特别实施方式中，导电陶瓷为氮化钛。
在本发明的另一个实施方式中，导电材料包括碳的同素异形体，例如石墨烯。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，导电材料包括金属。与传统的光电阴极相比，金属适用于制造本发明的导电结构。金属在整个红外和太赫兹光谱范围内往往具有相对恒定的材料参数，这简化了不同波长的几何优化。
在本发明的光阴极的一个实施方式中，金属来自铜、金、银、钛、铝和钨的组。已发现这些特定金属特别适合于生产光电阴极。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，选择基板以具有10％以上的入射电磁辐射的透射率，例如30％以上，或进一步40％以上。这使得光电阴极的导电结构能够被背照，例如在与导电结构相互作用之前使入射电磁辐射穿过基板。以此方式，基板不会干扰来自结构的电子发射。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，多个导电结构配置成阵列状。以这种方式，可以增加光电阴极的横截面积，同时可以保持各个导电结构的尺寸。因此，可以增加光电阴极的灵敏度。
在本发明的光电阴极的实施方式中，光电阴极包括超材料，超材料包括导电结构阵列，多个导电结构配置在共同基板上。
在本发明的光电阴极的实施方式中，真空系统包括光电倍增管(PMT)。
在本发明的光电阴极的一个实施方式中，真空系统包括多通道板。
根据本发明的第二方面，公开了一种成像系统，其包括具有多个导电结构的多通道板和空间分辨检测器系统，来自导电结构的发射被空间映射到空间分辨检测器上以用于生成图像。
附图说明
以下，将参照附图描述本发明的光电阴极的更多细节。附图示出了实施本发明的一种方式并且不应被解释为限制落在权利要求书的范围内的其他可能的实施方式。
图1示出了本发明的光电阴极的实施方式的多个方面，以及仿真结果。
图2示出了本发明的光电阴极的实施方式的多个方面，以及仿真结果。
图3示出了本发明的光电阴极的基板的实施方式，以及仿真结果。
图4示出了本发明的光电阴极的工作原理。
图5示出了本发明的光电阴极的另一实施方式。
图6示出了本发明的光电阴极的示例的仿真结果。
图7示出了本发明的光电阴极的另一实施方式的仿真结果。
图8示出了光电阴极的导电结构的导电材料不同选择的仿真结果。
图9示出了对应于本发明的第二方面的成像系统的仿真结果。
图10示出了与本发明的实施方式的工作相关的仿真结果。
图11示出了本发明的实施方式。
图12示出了与本发明的光电阴极的实施方式的光谱响应有关的模拟结果。
图13示出了与本发明相关而有用的光电倍增管。
图14示出了与本发明相关而有用的多通道板。
图15示出了本发明的成像系统。
图16示出了本发明的成像系统。
具体实施方式
图1(a)示出了本发明的光电阴极100的实施方式的特写。光阴极100包括导电结构101和基板102。导电结构101(以下也称为“天线”)设置为提供两个由间隙103隔开的电极106。入射光子电场104和天线101之间相互作用的过程被示出，显示为包括天线间隙103的尖端部分105处的特写。这些图示出了可用于实现该结构的材料的示例，这些材料已用于此处显示的计算。也可以设想材料的其他选择，如本说明书中其他地方所讨论的那样。包含太赫兹频率范围内的频带的电场时间轨迹被示出以指示通过透明基板102传播的接收电场104。需要注意的是，本发明的光电阴极不限于在太赫兹频率范围工作，但也可以设计为在光波长下工作。电场集中在间隙103周围的体积中，从而穿过导电结构101的尖端部分105设置强电场，此处显示为电极106。强电场使电子能够从天线的导电材料到周围环境进行隧穿。作为最后一步，电子在电场(4)中加速。图1(b)示出了双开口环谐振器(dSRR)天线形式的导电结构101的扫描电子显微照片(SEM)。虚线圆圈指示包括电极106和间隙103的尖端部分105。图1(c)示出了当尖端部分105中的电场最强时天线(101)平面中电场的有限元仿真。
图2(c)以不同色阶放大示出了来自图1(b)和(c)的场。图2(d)如箭头所示示出了隧道体积内的时间上的电场。场增强接近400。图2(e)说明了图2(d)中时间信号的频率成分。显然地，dSRR天线几何结构使频率范围更宽，以便为宽带输入电场信号获得时间上大的场增强。
图3示出了入射电场Ei，其撞击在基板102上。示出的是基板的主要工作。电场的主要损失发生在第一界面201处并且是由于菲涅耳反射造成的。基板102的目的是提供用于构建光电阴极的物理平台。基板102本身没有用于场发射过程的功能。基板的一种选择是HR-Si(高电阻率硅)，其不吸收太赫兹和红外辐射，但具有3.42的折射率。因此，第一界面201处电场的菲涅耳反射为30％。在第二界面202处，反射被认为是不重要的，因为光与比光的波长薄得多的天线相互作用。然而，由于第二界面处的光一部分有效地存在于基板中，一部分存在于真空中，因此接受在计算天线的谐振特性时应该被包含的有效的折射率。
图4示出了来自天线尖端的隧穿过程，其中插入了相关数值以供说明。空间不变的电场指向导电表面，这里用金301表示。金的费米能级和真空能级之间的能量差为5eV。通过在垂直于金表面的方向上对电场进行积分，可以找到由于施加的电场而产生的电势与金的费米能级的电势相等的距离。该距离是表示隧道势垒宽度的距离。考虑到电场仅存在于入射信号的持续时间内(对于太赫兹频率范围内的宽带瞬变，通常为1ps的数量级)，对于真空电子系统中可测量的发射水平，典型值为5nm或以下。
实施例：对于指向金表面的-109V/m的恒定电场，电势能由下式给出：
Figure BDA0003429476300000071
因此，隧道势垒宽度
Figure BDA0003429476300000081
点(1)展示的该结果是作为Fowler-Nordheim场发射类型而众所周知的结果。假定施加的电场与时间无关。
在超快场发射方案中，与光子驱动的发射方案一样，时间无关性不再有效。这可以通过假设二次势垒来纠正。此处，Φ是假设靠近发射表面的三角形势垒的系统功函数。
图5示出了导电结构(101)不同的可能配置，例如，(a)单个谐振偶极子和(b)由间隙103隔开的两个偶极子。偶极子的每一极可以被看作是电极106，形成尖端部分105的一部分。
记录发射的电子数作为入射场强的函数：
由于Fowler-Nordheim发射物理学，电子发射电流相对于入射场强度是高度非线性的。此外，发射电子的尖端的锐度会影响发射。图6示出了这两点。左图示出了圆形尖端(曲率半径1.5μm)的发射电流与入射场强的关系，右图示出了类似结构的发射，其中发射尖端是尖的，导致更高的场增强。在后一种情况下，高发射范围扩展到较低的入射场强。Fowler-Nordheim拟合(每张图中的“FN拟合”曲线)允许确定绝对入射场强(曲线的x轴)，与太赫兹波形的校准自由空间电光采样确定的场强值非常一致。
不同几何结构的发射记录：
天线的几何形状决定了场增强因子和场约束。因此，电子发射不限于特定的几何形状，如图6和图8的比较所示。在图6中，天线采用I结构形式(图5(a))，在图8中，天线采用dSRR的形式(图1(b))。因此，发明人已经意识到天线的许多几何形状可以导致给定的场增强和场定位。可以选择特定的几何形状来强调小点的场定位并最小化相邻元件之间的电磁耦合(如dSRR中所体现)，或允许相邻天线之间的耦合(I结构)。当然，多个其他几何结构会表现出相似的特征。
绝对极性测量记录：
只有在从金属到周围介质中打开隧穿通道时，电子发射才有效。这是通过朝向尖端的驱动电场的极性来确保的。因此，在恒定场强度下反转场方向会大大降低电子发射效率。这意味着非对称dSRR设计能够检测驱动太赫兹场的绝对极性。如图7所示，这种能力可以检测非对称驱动场的绝对极性。如图所示，入射太赫兹场可以是非对称的单周期形式(左上角)，其中不对称程度可以定义为1-|E2/E1|。如果该输入场的极性相对于dSRR天线(右下面板)的方向旋转，发射电流会随着入射角而变化，如图左部分所示。在发射电流中观察到非常明显的各向异性，并且场的绝对极性可以确定。
图8示出了来自简单偶极天线(如图5(a)所示的I结构)的电子发射作为入射电场强度的函数。示出了由金制成的天线701和由石墨烯制成的天线702的发射。Fowler-Nordheim图(下图)确定了每种材料的有效功函数。正如之前的许多研究中所观察到的那样，对于金，发现其功函数低于块状金。对于石墨烯，提取的功函数与扶手椅配置的功函数非常匹配。
阵列排列和其在太赫兹波束成像中使用的记录：
如果将单独的天线放置在阵列中，并且从每个单独的天线中读取超材料(例如，天线的集合)，则可以成像。这在图9中进行了说明。在这个例子中，带有天线阵列的超表面被放置在氩气中，其中发射的电子可以与氩原子碰撞。碰撞将能量传递给氩原子，这些原子被激发到更高的电子态。随后弛豫到基态会导致发射类似于辉光放电的可见光。为了形成这样的图像，优选采用封闭式天线设计以避免天线之间的场耦合，这使得很难将单个天线的发射解释为仅在该精确点的峰值场的表示。dSRR是一种很好地解决了场封装问题的设计(图9(b))。图像形成可以通过例如多通道板而不是气体，在真空中完成。这会降低检测阈值，从而提高成像灵敏度。通常可以对所有天线类型进行成像。
由于天线阵列的工程周期性，使用2D FFT滤波可以有效地重建任何像素化图像，如图9(b)所示。
避雷针效应(中红外驱动发射)的记录：
除了共振场增强之外，另一种物理效应，即所谓的避雷针效应，会影响发射过程。该效应增强了尖端的场约束为a2，其中a是尖端半径。
例如，考虑半径分别为1500nm和150nm的两个尖端，用3.2um光照射。被照射的天线对该频率没有共振增强，因此增强仅依赖于避雷针效应。对于a的10倍递减(导致尖端半径减少10倍)的避雷针增强理论上应为a2＝100。
产生的场相关发射电流符合Fowler-Nordheim发射模型，其具有二次电位和100的相对场增强分数。如图10所示，一致性很好。
因此，对于所有应用，天线的核心特征是具有尽可能锐利或尖的尖端部分的几何形状以最大化场约束。这将增强共振驱动的电子发射和由于避雷针效应引起的发射。在此，尖锐电极是包括锥度的电极(参见图11)，其开始于天线线宽1001并在平行于基板表面的平面上以明显更小的尺寸1002结束，这一尺寸优选尽可能小。应注意，锥不必是连续的，因为尖端可包括在锥的窄端处的非锥部分1003，例如朝向间隙。实际上，可获得的最小尺寸受到制造技术的限制。典型的天线线宽为数百纳米，进一步高达数微米。典型的尖端尺寸为20nm或进一步10nm。在垂直于基板表面的方向上，例如，“天线厚度”，可以找到最优厚度作为大厚度之间的权衡，这支持天线中的低电阻并因此具有导电性的最优使用，以及小厚度，支持尽可能小的尖端横截面积。
避雷针效应的实际应用如图12所示，其中举例说明了由中红外波长(2.5-5.5μm波长)驱动的发射。飞秒中红外光源的平均功率在图的顶部显示为基本恒定的曲线。标有“0.5THz PMT”和“5.0THz PMT”的曲线分别是用a＝1500nm和a＝150nm的天线结构检测到的电子发射信号。中红外光源在到达天线之前通过熔融石英窗口。众所周知，熔融石英在波长超过3.9μm处具有很强的吸收带。因此，对于150nm尖端半径(小一个数量级)，在4.0μm激发波长处观察到的电子发射增加两个数量级，与按a2缩放的场约束增加一致，有证据表明避雷针效应有利于中红外光源驱动的高效电子发射。
图13是表示电子管的示例的剖视图。电子管1是响应于电磁波的入射而输出电信号的光电倍增管。当电磁波入射时，电子管1在内部发射电子并使发射的电子倍增。在本说明书中，入射到电子管上的“电磁波”是包括在从所谓的毫米波到红外光的频带中的电磁波。如图13所示，电子管1包括壳体10、电子发射单元(光电阴极)20、电子倍增单元30和电子收集单元40。
壳体10包括阀11和阀杆12。壳体10的内部由阀11和阀杆12气密地密封并且保持在真空中。真空不仅包括绝对真空，还包括壳体充满压力低于大气压的气体的状态。例如，壳体10的内部保持在1×10-4至1×10-7Pa。阀11包括透射电磁波的窗11a。例如，壳体10具有筒形状。在本实施方式中，壳体10具有圆筒形状。阀杆12构成壳体10的底面。阀11构成壳体10的侧面和面对阀杆12的底面。
窗11a构成面对阀杆12的底面。例如，窗11a在平面视图中具有圆形形状。窗11a包括选自石英、硅、锗、蓝宝石、硒化锌、硫化锌、氟化镁、氟化锂、氟化钡、氟化钙、氧化镁和碳酸钙中的至少一种。在本实施方式中，窗11a由石英制成。电磁波的透射率的频率特性因材料而异。因此，可以根据穿过窗11a的电磁波的频带来选择窗11a的材料。例如，可以选择石英作为传输频带为0.1至5THz的电磁波的构件的材料，可以选择硅作为传输频带为0.04至11THz以及46THz或以上的电磁波的构件的材料，可以选择氟化镁作为传输频带为40THz或以上的电磁波的构件的材料，可以选择锗作为传输频带为13THz或以上的电磁波的构件的材料，可以选择硫化锌作为传输频带为14THz或以上的电磁波的构件的材料。
电子管1包括用于实现壳体10的外部和内部之间的电连接的多条导线13。多条导线13例如是引线或引脚。在本实施方式中，多条导线13为引脚，其贯穿阀杆12并从壳体10的内部延伸至其外部。多根导线13中的至少一根连接到设置在壳体10内部的各种构件。
电子发射单元20设置在壳体10中并响应于壳体10中的电磁波的入射而发射电子。电子发射单元20包括超表面50和设置有超表面50的基板21。基板21对于通过窗11a的电磁波具有透明度。在本说明书中，“透明度”是指透射入射电磁波的至少部分频带的特性。即，基板21透射通过窗11a的电磁波的至少部分频带。基板21由例如硅制成。基板21在平面视图中具有矩形形状。基板21与窗11a和电子倍增单元30分离。
图14是微通道板(多通道板)的示例的透视剖视图。在该变形例中，如图所示，微通道板70包括基体73、多个通道74、分隔壁部分75和框架构件76。基体73包括输入面73a和与输入面73a相对的输出面73b。基体73形成为圆盘状。输入表面73a面对基体21。输出表面73b面对阳极41。输入表面73a和输出表面73b平行于窗11a、基板21和超表面50而设置。阳极41具有平板形状并且平行于微通道板70的输出表面73b而配置。
多个通道74在基体73中从输入表面73a形成到输出表面73b。具体地，每个通道74在与输入表面73a和输出表面73b正交的方向上，从输入表面73a延伸到输出表面73b。多个通道74在平面视图中配置成矩阵形状。每个通道74具有圆形横截面形状。在多个通道74之间设置了分隔壁部分75。为了用作电子倍增器，微通道板70在通道74中的分隔壁部分75的表面上具有图中未示出的电阻层和电子发射层。框架构件76设置在基体73的输入表面73a和输出表面73b的外周缘部分上。
在电子管1E中，多根导线13中的一根连接到附接构件71和72的各个上。在微通道板70中，通过导线13和附接构件71和72，在输入表面73a和输出表面73b之间施加电压。当从超表面50发射的电子入射在输入表面73a上时，电子被通道74倍增并从输出表面73b发射。由微通道板70倍增的电子被阳极41收集，并通过导线13作为输出信号从阳极41输出。
接下来，将参照图15和图16说明本实施方式的变形例的电子管。图15是电子管示例的局部剖视图。图16是示出的图15电子管部分的剖视图。图15和16的变形例与上述实施方式大致相似或相同。然而，变形例与实施方式的不同在于实施方式的电子管是所谓的图像增强器。以下，主要说明实施方式与变形例的不同点。
在图15所示的电子管1F中，电子发射单元20、电子倍增单元30和电子收集单元40设置在壳体80中。电子倍增单元30包括微通道板70而不是聚焦电极31和倍增极32a至32j。在电子管1F中，电子收集单元40包括荧光体81而不是阳极41。在电子管1F中，超表面50、微通道板70和荧光体81在壳体80中彼此靠近。
外壳80包括侧壁82、入射窗83(窗11a)和出射窗84。侧壁82具有中空筒形状。入射窗83和出射窗84均具有圆盘状。通过用入射窗83和发射窗84气密地密封侧壁82的两端，壳体80的内部保持在真空中。例如，壳体80的内部保持在1×10-5到1×10-7Pa。
例如，侧壁82包括侧管85、覆盖侧管85的侧部的模具构件86、以及覆盖模具构件86的侧部和底部的壳构件87。侧管85、模具构件86和壳构件87的每一个都具有中空筒形状。侧管85由例如陶瓷制成。模具构件86由例如硅橡胶制成。壳构件87由例如陶瓷制成。
在模具构件86的两端的每一端形成有通孔。壳构件87的一端是敞开的。壳构件87的另一端设置有通孔。壳构件87的通孔包括与模具构件86的一个通孔的边缘位置重合地定位的边缘。在模具构件86的一端，入射窗83接合到围绕模具构件86的通孔的表面。类似于电子管1的窗11a，入射窗83透射电磁波。类似于电子管1的窗11a，入射窗83包括选自石英、硅、锗、蓝宝石、硒化锌、硫化锌、氟化镁、氟化锂、氟化钡、氟化钙、氧化镁、和碳酸钙中的至少一种。
在电子管1F中，超表面50直接设置在壳体80中的入射窗83上。超表面50面对微通道板70。微通道板70设置在超表面50和荧光体81之间。微通道板70与超表面50和荧光体81分离。
在模具构件86的另一端侧，发射窗84装配到模具构件86的另一个通孔。发射窗84是，例如通过聚集大量光纤而构成的呈盘状的纤维盘。纤维盘的每根光纤被构成为使得壳体80的内侧端面84a与每根光纤齐平。端面84a设置为平行于超表面50。
荧光体81设置在端面84a上。例如，荧光体81是通过将荧光材料施加到端面84a而形成。荧光材料，例如是(ZnCd)S:Ag(掺银的硫化锌镉)。在荧光体81的表面上，依次层叠有金属背层和低电子反射层。例如，金属背层由Al的蒸发形成，对通过微通道板70的光具有较高的反射率，对从微通道板70发射的电子具有较高的透射率。低电子反射层通过，例如，碳(C)、铍(Be)等的蒸发形成，并且对从微通道板70发射的电子具有相对较低的反射率。
与电子管1E类似，在电子管1F中，延伸到壳体80外部的多根导线13中的一根连接到保持微通道板70的附接构件71和72的各个。在微通道板70中，通过附接构件71和72在输入面73a侧和输出面73b侧之间施加电压。
当从超表面50发射的电子入射在输入表面73a上时，电子被通道74倍增并从输出表面73b发射。在电子管1F中，由微通道板70倍增的电子被收集在荧光体81中。荧光体81接收由微通道板70倍增的电子并发光。从荧光体81发射的光穿过纤维板并从发射窗84发射到壳体80的外部。
尽管本发明已经结合特定实施方式进行了描述，但不应将其解释为以任何方式限于所呈现的示例。本发明的范围由权利要求书确定。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他可能的元件或步骤。此外，提及诸如“一个”等参考文献不应被解释为排除多个。权利要求书中关于附图中指示的元件的参考符号的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中提到的各个特征可以有利地组合，并且在不同权利要求中提及这些特征不排除特征的组合是不可能的和不利的。

Claims (18)

1.一种真空系统用光电阴极，其中，
所述光电阴极被构成为接收具有入射波长的电磁辐射并且响应于此而发射电子，
所述光电阴极包括：
导电结构，其具有几何形状，所述几何形状包括尖端部分，当用电磁辐射照射所述导电结构时，所述尖端部分适合于提供场增强β，β大于约102；以及
基板，所述基板是电介质基板或者包括电介质基板，所述基板支撑所述导电结构。
2.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，
所述尖端部分被构成为通过将所述电场集中在由约束体积V表示的体积而提供场增强β，
Figure FDA0003429476290000011
所述约束体积是高度亚波长的。
3.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，
所述尖端部分包括两个电极，所述两个电极被间隙隔开，所述间隙具有间隙宽度。
4.根据权利要求3所述的光电阴极，其中，
所述间隙宽度在约1nm-1000nm、例如约10nm-500nm、或者进一步约20nm-100nm的范围内。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的光电阴极，其中，
所述两个电极作为第一电极和第二电极而被包括，选择所述第一电极的几何形状以提供第一场约束，并且选择所述第二电极的几何形状以提供第二场约束，所述第一场约束不同于所述第二场约束。
6.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，
所述光电阴极被构成为在设计波长接收所述电磁辐射，所述设计波长在太赫兹范围或红外范围内。
7.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，
所述光电阴极被构成为接收宽带设计波长范围内的所述电磁辐射，所述宽带设计波长范围在太赫兹范围或红外范围内。
8.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，
所述导电结构具有偶极天线几何形状。
9.根据之前权利要求所述的光电阴极，其中，
所述导电结构具有：双开口环几何形状，其包括具有共同尖端部分和共同间隙的两个相互连接的环。
10.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，
所述导电结构包括在红外波长具有超过105S/m、例如超过5·105S/m、或者进一步超过106S/m的导电率的高导电率的导电材料。
11.根据权利要求10所述的光电阴极，其中，
所述导电材料包括金属。
12.根据权利要求11所述的光电阴极，其中，
金属选自铜、金、银、钛、铝和钨。
13.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，
选择基板以具有10％以上、例如30％以上或进一步40％以上的入射电磁辐射的透射率。
14.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，
多个导电结构配置为阵列状。
15.根据之前权利要求所述的光电阴极，其中，
所述光电阴极包括超材料，所述超材料包括所述导电结构的阵列，所述多个导电结构配置在共同基板上。
16.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，
所述真空系统包括光电倍增管。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的光电阴极，其中，
所述真空系统包括多通道板。
18.一种成像系统，其中，
包括具有多个导电结构的权利要求17所述的多通道板、及空间分辨检测器系统，来自所述导电结构的发射被空间映射到所述空间分辨检测器上以生成图像。
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