CN114446762A - 一种铯钟用长寿命电子倍增器 - Google Patents

一种铯钟用长寿命电子倍增器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铯钟用长寿命电子倍增器。本发明采用发射层导电金属含量逐渐减少的新叠层结构能够保证薄膜良好的导电性，并提高发射系数，同时合理的增厚发射层厚度20％以上，使其具有更好的耐铯离子与电子的轰击能力。同时，采用梯度电阻分压方式取代传统的等值电阻分压方式，在保证电子倍增器增益指标的基础上，通过调控分压电阻排列方式、阻值大小、梯度高低等，合理分配轰击在不同打拿极上发射电子的能量，在保证前几级打拿极所承受的轰击损伤作用仍小于后几级打拿极的前提下，降低影响电子倍增器使用寿命的薄弱环节‑后几级打拿极所承受轰击损伤。本发明电子倍增器使用寿命指标可达12年以上。

Description

一种铯钟用长寿命电子倍增器
技术领域
本发明涉及电子倍增器技术领域，具体涉及一种铯钟用长寿命电子倍增器。
背景技术
高精度铯磁选态原子钟是一级时间频率标准仪器，相比较铷原子钟、氢原 子钟，具有长期稳定度好和漂移率小的特点，应用于导航系统中，能大幅提升 导航精度、授时水平，可以显著延长导航卫星的自主导航时间，大幅降低导航 系统对地面的依赖程度，为非常时期的导航定位提供保障。鉴于铯原子钟的上 述优势，美国的“全球定位系统”(GPS)和俄罗斯的“全球导航卫星系统” (GLONASS)均采用了铯原子钟。
电子倍增器位于铯原子钟最后，是将微弱铯离子放大用于检测的关键部件。 铯原子钟用电子倍增器一般采用9打拿级结构，如图1所示，d1-d9即第一至第 九打拿极，第一打拿极d1又称为阴极K，第九打拿极即末打拿极E，A为阳极 即收集极，R1-R9为分压电阻。当在阴极K与末打拿极E之间加载负高压时， 相邻打拿极间通过分压电阻R产生电场，第一打拿极在铯离子的轰击下发射二 次电子，产生的二次电子在电场作用下入射至第二打拿极，激发第二打拿极产 生二次电子，以此类推，经多级倍增放大后的二次电子最终被收集极A接收输 出用于检测。
在使用过程中，电子倍增器打拿级上二次电子发射薄膜除了发射电子外， 还承受入射铯离子与发射电子的不断轰击。入射铯离子的能量大于1000eV，发 射电子的能量200-300eV，持续不断对二次电子发射薄膜的轰击，造成二次电子 发射薄膜发射系数逐渐减小，发射性能逐渐衰减，这是造成电子倍增器失效的 根本原因。电子倍增器二次电子发射薄膜发射性能逐渐衰减，为稳定输出信号， 需要不断提高加载在电子倍增器上的负高压，提高二次电子发射薄膜的发射性 能。然而加载在电子倍增器上的负高压存在极限值(-2600V)，极限值达到，则 电子倍增器失效。由于电子倍增器无法更换，电子倍增器失效意味着铯原子钟 寿命结束。目前我国电子倍增器使用寿命为5年，远无法满足星载铯原子钟在 轨运行12年以上使用要求，成为星载铯钟研制所面临的瓶颈技术问题。受限于 电子倍增器使用寿命，我国导航系统中一直未采用铯钟。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种铯钟用长寿命电子倍增器，其增益指标可达 200万倍以上，衰减速率指标可达0.2V/天以下，使用寿命指标可达12年以上， 可用于星载铯原子钟与守时型铯原子钟等需要长时间运行的高精度时频仪器。
本发明的铯钟用长寿命电子倍增器，包含多个打拿极，所述打拿极内表面 镀有二次电子发射薄膜，相邻两打拿极间采用分压电阻连接；其中，所述二次 电子发射薄膜包括依次叠加的基底、粘附层、导电层和发射层；其中，所述发 射层包括发射混合层和纯发射层；所述发射混合层为MgO与导电金属的混合层， 且导电金属物质的量含量由高到低逐渐降低，直至完全变为纯MgO；所述纯发 射层为MgO；
所述分压电阻设为：随着打拿极级数的增大，分压电阻阻值降低。
较优的，发射混合层中，导电金属物质的量的初始含量为40％-50％。
较优的，发射混合层中导电金属物质的量含量y随发射混合层厚度x变化 的关系为：y＝-ax+Po，y＝P0和y＝-bx+2.5P0所围的区域；其中，a与b参数值与 导电金属物质的初始含量P0和发射层厚度H0相关。
较优的，a＝P0/H0，b＝P0/0.4H0。
较优的，所述二次电子发射薄膜采用如下方法制备：
S1，清洗基片；
S2，将基片安置在基片架上，放置在磁控溅射镀膜腔室内，所述镀膜腔室 的本底真空度优于5×10-5Pa，设置镀膜温度为150-500℃，镀膜气压为0.5-2mTorr；
S4，采用直流或射频溅射的方法在基片上镀制粘附层，其中，镀膜功率为 100-300W；
S5，采用直流或射频溅射的方法在粘附层上镀制导电层，其中，镀膜功率 为100-250W；
S6，采用等离子体辅助的双靶共溅射方法在导电层上镀制发射层，即采用 MgO靶与导电材料靶共溅射镀制；其中，MgO的镀膜功率为150-300W；导电 材料的初始镀膜功率为30-80W；在镀膜过程中，氧化镁镀膜功率固定，导电材 料镀膜功率逐渐减低，发射混合层镀膜完成时导电材料镀膜功率降低为零；导 电材料镀膜功率降低速率依据发射混合层导电金属物质的量含量与发射层厚度 关系确定；镀制发射层的过程中，开启等离子体源，功率为50-100W，所述等 离子体源产生等离子体增强成膜离子的能量，剥蚀成膜大颗粒，提高膜层的致 密度。
较优的，所述等离子体源为端部霍尔型离子源；端部霍尔型离子源的放电 电压50～300V，放电电流1～15A，离子能量分布于10～140eV，离子束流发散 角25°～75°。
较优的，所述等离子源安装于磁控溅射镀膜腔室中，等离子源的发射面指 向磁控溅射基片架中心位置；所述发射面中心点与基片架中心点的连线，与基 片架轴线呈夹角α，所述α为30°～60°；所述发射面中心点水平面距离基片架 水平面高度H，所述H为10-30cm。
较优的，电子倍增器中的分压电阻，最高电阻阻值≤9MΩ，最小电阻阻值 ≥1MΩ，最大电阻阻值不高于最小电阻阻值的3倍。
较优的，所述分压电阻阻值由高到低呈梯度排列，梯度数量不大于5个， 电阻排布梯度数量、梯度大小、以及梯度内电阻个数分布如表1所示：
表1
Figure BDA0003432815780000041
较优的，所述打拿极为平面形打拿极结构。
有益效果：
本发明采用发射层导电金属含量逐渐减少的新叠层结构能够保证了薄膜良 好的导电性，避免了因MgO不导电，引起的荷电现象，导致的二次电子发射停 滞，并提高发射系数，同时合理的增厚发射层厚度20％以上，使其具有更好的 耐铯离子与电子的轰击能力。同时，发射层采用等离子体辅助下的磁控溅射技 术新方法镀制，通过离子源产生的等离子体，增强成膜离子的能量，剥蚀成膜 大颗粒，提高膜层的致密度，从而提高耐铯离子与电子的轰击作用。同时，采 用梯度电阻分压方式取代传统的等值电阻分压方式，在保证电子倍增器增益指 标的基础上，通过调控分压电阻排列方式、阻值大小、梯度高低等，合理分配轰击在不同打拿极上发射电子的能量，在保证前几级打拿极所承受的轰击损伤 作用仍小于后几级打拿极的前提下，降低影响电子倍增器使用寿命的薄弱环节- 后几级打拿极所承受轰击损伤。
采用平面形打拿极结构，利用平面形打拿极对增益电子束没有聚焦作用的 特性，解决因传统圆弧形曲面打拿极结构对增益电子束的聚焦作用，造成二次 电子发射薄膜越靠近中心位置结构损伤越严重的问题。
本发明电子倍增器的增益指标可达200万倍以上，衰减速率指标可达0.2V/ 天以下，使用寿命指标可达12年以上，可用于星载铯原子钟与守时型铯原子钟 等需要长时间运行的高精度时频仪器。
附图说明
图1为电子倍增器工作原理示意图；
图2为铯钟用长寿命电子倍增器结构图；
图3为打拿极排列方式图；
图4为高发射系数抗轰击二次电子发射薄膜结构示意图；
图5为平面打拿级结构图；
图6为电子倍增器增益曲线；
图7为电子倍增器工作电压变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种铯钟用长寿命电子倍增器，该电子倍增器采用9打拿极 结构，打拿极内表面镀有二次电子发射薄膜，9打拿极安装于两个陶瓷板上，排 布方式如图3所示，相邻两打拿极间采用电阻连接，三根套有陶瓷管的金属引 出线分别连接首打拿级、末打拿级、收集级，以上结构组装完成后，采用紧固 螺栓固定于倍增器外壳上。
首先，本发明二次电子发射薄膜采用高发射系数耐轰击二次电子发射薄膜， 该二次电子发射薄膜采用叠层结构，包括基底、粘附层、导电层和发射层。其 中，基底选用不锈钢、铝合金、镍等易成型的金属材料，有助于打拿极结构的 成型；粘附层选用Ti、Ni等粘附性好的金属材料，提高膜层与基底的粘附性， 粘附层厚度50-100nm；导电层选用Au、Ag、Pt等具有良好导电性的金属材料， 保证膜层在发射层与基底之间的有良好导电性，导电层厚度100-300nm；发射层 选用掺杂导电金属(Au、Ag、Pt)的MgO，防止MgO荷电效应发生，保证发射电子的连续性，发射层总厚度为40-80nm。
其中，本发明发射层分为两层：1.发射混合层，MgO与导电金属的混合层， 厚度(H0)为35-75nm；2.纯发射层，MgO，厚度(H)5-30nm。发射混合层中， 导电金属物质的初始含量(P0％)为40％-50％，导电金属物质的量含量由高到 低逐渐降低，直至完全变为纯MgO。发射混合层中导电金属物质的量含量(y) 随发射混合层厚度(x)变化关系优选线性y＝-ax+Po，y＝P0，y＝-bx+2.5P0所围的 区域，a与b参数值与导电金属物质的初始含量和发射层厚度相关，a＝P0/H0， b＝P0/0.4H0。
其中，镀制粘附层与导电层采用常规磁控溅射技术；镀制发射层采用等离 子体辅助双靶共溅射技术。高发射系数抗轰击二次电子发射薄膜镀制过程如下：
(1)采用超声清洗基片，溶剂选用丙酮与乙醇，清洗过程两种溶剂交替使 用，交替次数3-5次，每种溶剂超声3-5min。
(2)清洗完成后将基片安置在基片架上，放置在磁控溅射腔室内；
(3)沉积室本底真空度为优于5×10-5Pa，沉积温度150-500℃，沉积气压 0.5-2mTorr；
(4)先采用直流或射频溅射镀制粘附层，沉积功率100-300W；
(5)再采用直流或射频溅射镀制导电层，沉积功率100-250W；
(6)采用等离子体辅助的双靶共溅射镀制发射层，即MgO靶与导电材料 靶共溅射沉积MgO沉积功率150-300W，导电材料采用直流溅射或者射频溅射 镀制，初始沉积功率30-80W。在沉积过程中，氧化镁沉积功率固定，导电材料 沉积功率逐渐减低，至发射混合层沉积完成降低为零，功率降低速率依据发射 混合层导电金属物质的量含量与发射层厚度关系确定；
(7)沉积过程发射层开启等离子体源，功率50-100W，通过离子源产生的 等离子体增强成膜离子的能量，剥蚀成膜大颗粒，提高膜层的致密度，从而提 高抗铯离子与电子的轰击作用。
本发明采用端部霍尔型离子源作为等离子体发生器，放电电压50V-300V， 放电电流1A-15A，离子能量分布于10eV-140eV，离子束流发散角25°-75°， 能够完全适用于磁控溅射沉积过程通氧气、氮气等反应气体。
将等离子体发生器安装于磁控溅射镀膜腔室中，等离子体发生器发射面指 向磁控溅射基片架中心位置；所述发射面中心点与基片架中心点的连线，与基 片架轴线夹角α分布于30°-60°，所述发射面中心点水平面距离基片架水平面高 度H分布于10-30cm。
采用等离子体辅助的双靶共溅射镀制发射层可明显提高发射层的致密度， 明显提高其抗离子与电子轰击能力。
本发明的高发射系数抗轰击二次电子发射薄膜，二次电子发射系数优于5， 衰减速率小于0.02nA/天。
其次，本发明采用平面形打拿极结构，利用平面形打拿极对增益电子束没 有聚焦作用的特性，解决因传统圆弧形曲面打拿极结构对增益电子束的聚焦作 用，造成二次电子发射薄膜越靠近中心位置结构损伤越严重的问题，达到降低 电子倍增器性能衰减速率，提高电子倍增器使用寿命的目的。
平面形打拿极采用图5(a)所示的全平面结构，也可采用图5(b)所示的 折边形平面结构，平面与栅网夹角为45°。
平面形打拿极外壳将打拿极外壳与打拿极内衬片组合的传统设计结构合二 为一，通过对内表面抛光处理，抛光度优于50nm，直接用于二次电子发射薄膜 镀制。
平面形打拿极外壳采用先镀制二次电子发射薄膜后成型的方式制备，即打 拿极先保持平面状态，完成镀膜后再通过模具冲压成型，通过点焊的方式与梯 形架、栅网完成组合。
此外，本发明基于电子倍增器前后打拿极发射电子数量数量级级别的巨大 差异，将传统的分压电阻采用等值电阻分压方式替换为采用梯度电阻分压方式， 在保证电子倍增器增益指标的基础上，通过调控分压电阻排列方式、阻值大小、 梯度高低等，合理分配轰击在不同打拿极上发射电子的能量，在保证前几级打 拿极所承受的轰击损伤作用仍小于后几级打拿极的前提下，降低影响电子倍增 器使用寿命的薄弱环节-后几级打拿极所承受轰击损伤，从而降低电子倍增器发 射性能衰减速率，达到提高使用寿命的目的。
具体的，本发明梯度电阻分压方法采用9个电阻串联连接，并分别与9个 打拿极并联连接，电阻阻值由高到低排列，起到降低电子倍增器后几级打拿极 工作电压分压的作用。
其中，9个电阻最高电阻阻值≤9MΩ，最小电阻阻值≥1MΩ，最大电阻阻值 不高于最小电阻阻值的3倍，防止前几级打拿级因工作电压分压过高，引起的 损伤超过后几级打拿级所承受的轰击损伤。
也可将阻值由高到低呈梯度排列，梯度数量不大于5个，电阻排布梯度数 量、梯度大小、以及梯度内电阻个数分布如表1所示。
表1
Figure BDA0003432815780000081
Figure BDA0003432815780000091
本发明在保证前几级打拿极所承受的轰击损伤作用仍小于后几级打拿极基 础上，可将轰击在影响电子倍增器使用寿命的最薄弱环节-第9级打拿极上的发 射电子能量最高可降低至原来的35％，也可将轰击在第8、7级打拿级的发射电 子能量最高可降低至原来55％和73％，可大大降低电子倍增器的衰减速率，提 高使用寿命。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铯钟用长寿命电子倍增器，包含多个打拿极，所述打拿极内表面镀有二次电子发射薄膜，相邻两打拿极间采用分压电阻连接；其特征在于，所述二次电子发射薄膜包括依次叠加的基底、粘附层、导电层和发射层；其中，所述发射层包括发射混合层和纯发射层；所述发射混合层为MgO与导电金属的混合层，且导电金属物质的量含量由高到低逐渐降低，直至完全变为纯MgO；所述纯发射层为MgO；
所述分压电阻设为：随着打拿极级数的增大，分压电阻阻值降低。
2.如权利要求1所述的铯钟用长寿命电子倍增器，其特征在于，发射混合层中，导电金属物质的量的初始含量为40％-50％。
3.如权利要求1或2所述的铯钟用长寿命电子倍增器，其特征在于，发射混合层中导电金属物质的量含量y随发射混合层厚度x变化的关系为：y＝-ax+Po，y＝P0和y＝-bx+2.5P0所围的区域；其中，a与b参数值与导电金属物质的初始含量P0和发射层厚度H0相关。
4.如权利要求3所述的铯钟用长寿命电子倍增器，其特征在于，a＝P0/H0，b＝P0/0.4H0。
5.如权利要求1所述的铯钟用长寿命电子倍增器，其特征在于，所述二次电子发射薄膜采用如下方法制备：
S1，清洗基片；
S2，将基片安置在基片架上，放置在磁控溅射镀膜腔室内，所述镀膜腔室的本底真空度优于5×10-5Pa，设置镀膜温度为150-500℃，镀膜气压为0.5-2mTorr；
S4，采用直流或射频溅射的方法在基片上镀制粘附层，其中，镀膜功率为100-300W；
S5，采用直流或射频溅射的方法在粘附层上镀制导电层，其中，镀膜功率为100-250W；
S6，采用等离子体辅助的双靶共溅射方法在导电层上镀制发射层，即采用MgO靶与导电材料靶共溅射镀制；其中，MgO的镀膜功率为150-300W；导电材料的初始镀膜功率为30-80W；在镀膜过程中，氧化镁镀膜功率固定，导电材料镀膜功率逐渐减低，发射混合层镀膜完成时导电材料镀膜功率降低为零；导电材料镀膜功率降低速率依据发射混合层导电金属物质的量含量与发射层厚度关系确定；镀制发射层的过程中，开启等离子体源，功率为50-100W，所述等离子体源产生等离子体增强成膜离子的能量，剥蚀成膜大颗粒，提高膜层的致密度。
6.如权利要求5所述的铯钟用长寿命电子倍增器，其特征在于，所述等离子体源为端部霍尔型离子源；端部霍尔型离子源的放电电压50～300V，放电电流1～15A，离子能量分布于10～140eV，离子束流发散角25°～75°。
7.如权利要求5所述的铯钟用长寿命电子倍增器，其特征在于，所述等离子源安装于磁控溅射镀膜腔室中，等离子源的发射面指向磁控溅射基片架中心位置；所述发射面中心点与基片架中心点的连线，与基片架轴线呈夹角α，所述α为30°～60°；所述发射面中心点水平面距离基片架水平面高度H，所述H为10-30cm。
8.如权利要求1所述的铯钟用长寿命电子倍增器，其特征在于，电子倍增器中的分压电阻，最高电阻阻值≤9MΩ，最小电阻阻值≥1MΩ，最大电阻阻值不高于最小电阻阻值的3倍。
9.如权利要求1所述的铯钟用长寿命电子倍增器，其特征在于，所述分压电阻阻值由高到低呈梯度排列，梯度数量不大于5个，电阻排布梯度数量、梯度大小、以及梯度内电阻个数分布如表1所示：
表1
Figure FDA0003432815770000031
10.如权利要求1所述的铯钟用长寿命电子倍增器，其特征在于，所述打拿极为平面形打拿极结构。
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