一種高靈敏度銻堿光電陰極和光電倍增管的制作方法
【專利摘要】一種高靈敏度銻堿光電陰極和光電倍增管，該光電陰極靈敏度相對傳統(tǒng)光電陰極有顯著提升。該高靈敏度銻堿光電陰極包括光電陰極襯底，光電陰極襯底上設(shè)置有陰極增透層，陰極增透層上設(shè)置有銻堿光電陰極發(fā)射層。其中陰極增透層的折射率在2.3-2.6之間，可以大幅降低入射光損失，并可在一定程度將行進方向與入射光方向相反的電子反向，提高光電陰極量子效率。
【專利說明】—種高靈敏度銻堿光電陰極和光電倍增管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)計屬于光電探測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種可以吸收響應(yīng)光譜范圍內(nèi)入射光并發(fā)射電子的銻堿光電陰極，以及采用該銻堿光電陰極制備的光電倍增管。
【背景技術(shù)】
[0002]光電倍增管是用于探測微光信號的光電器件，光電陰極是其光電信號轉(zhuǎn)換部分，通過真空蒸鍍附著在光電倍增管玻殼的內(nèi)表面，在光照情況下產(chǎn)生光電子。由于GaAs光電陰極制作難度大，且不能在曲面襯底上制作，目前光電倍增管大多采用銻堿光電陰極。根據(jù)入射光和出射電子方向，光電陰極分為兩類:透射式和反射式。
[0003]透射式光電陰極的激發(fā)電子方向與入射光相同，由于陰極的折射率較高，入射光透過玻殼后在陰極與玻殼界面的存在很高的反射率，約有25%的光能損失，這使光電陰極的量子效率大打折扣。如果能夠提高光電陰極的量子效率，可使其應(yīng)用范圍更廣，探測效率更高。
[0004]常見提高光電陰極量子效率的方法主要有:
[0005]I，使用高純的材料，減小雜質(zhì)散射復(fù)合幾率，增大光電子擴散長度；
[0006]2，優(yōu)化陰極厚度，使陰極光吸收與電子輸運長度之間取得較好的權(quán)衡；
[0007]3，優(yōu)化材料組份及其工藝，減少陰極晶格缺陷，降低電子輸運過程散射幾率；
[0008]4，優(yōu)化激活工藝，降低表面親和勢；
[0009]5，陰極襯底上制作增透層，減少入射光反射損失，增加光吸收。
[0010]其中第1-4項受工藝的限制，提高空間很小，而第5項還沒有發(fā)展成熟，還有很大的挖掘潛力。
[0011]在專利CN200710305894、CN201010157693中，對光電陰極的增透層進行了部分研
究，不清楚其具體工藝，其量子效率還有進一步提升的空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明提供一種高靈敏度銻堿光電陰極和光電倍增管，主要解決了現(xiàn)有機構(gòu)入射光損耗率高，靈敏度低的問題。
[0013]本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案如下:
[0014]該高靈敏度銻堿光電陰極包括光電陰極襯底，所述光電陰極襯底上設(shè)置有陰極增透層，陰極增透層上設(shè)置有銻堿光電陰極發(fā)射層。
[0015]上述光電陰極發(fā)射層是由銻和堿金屬通過真空蒸發(fā)制備而成；所述堿金屬是鈉、鉀、銫任一或任意多種以任意比例混合形成。
[0016]上述銻堿光電陰極發(fā)射層的厚度為20_100nm。
[0017]上述陰極增透層折射率位于2.3-2.6之間。
[0018]上述光電陰極襯底為石英玻璃或者硼硅玻璃。
[0019]一種應(yīng)用該高靈敏度銻堿光電陰制成的光電倍增管，包括覆蓋在真空容器內(nèi)表面的光電陰極，光電陰極包括光電陰極襯底，所述光電陰極襯底上設(shè)置有陰極增透層，陰極增透層上設(shè)置有銻堿光電陰極發(fā)射層；所述光電陰極覆蓋在真空容器的全部或部分內(nèi)表面上。
[0020]上述光電陰極發(fā)射層是由銻和堿金屬通過真空蒸發(fā)制備而成；所述堿金屬是鈉、鉀、銫任一或任意多種以任意比例混合形成。
[0021]上述銻堿光電陰極發(fā)射層的厚度為20_100nm。
[0022]上述陰極增透層折射率位于2.3-2.6之間。
[0023]上述光電陰極襯底為石英玻璃或者硼硅玻璃。
[0024]該高靈敏度銻堿光電陰極的制備方法包括以下步驟:
[0025]I]制作陰極增透層
[0026]選擇可以透射入射光的襯底，并在該襯底上制作在增透層，增透層折射率位于
2.3-2.6 之間；
[0027]2]制作光電陰極發(fā)射層
[0028]通過真空蒸鍍的方式將堿金屬與銻沉積在步驟I制作的增透層上，形成厚度為20-1OOnm的光電陰極發(fā)射層。
[0029]上述堿金屬是鈉、鉀、銫任一或任意多種以任意比例混合形成。
[0030]上述步驟I中所述的襯底為石英玻璃或者硼硅玻璃。
[0031]本發(fā)明的優(yōu)點如下:
[0032]該聞靈敏度鋪喊光電陰極減少入射光損耗率，提聞光電陰極吸收率，進而提聞光電陰極靈敏度，利用該高靈敏度銻堿光電陰極制作的光電倍增管也相應(yīng)的提高了性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1透射式光電陰極的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2無增透層時，入射光照射在光電陰極上的反射率、透射率、吸收率；
[0035]圖3有增透層時，入射光照射在光電陰極上的反射率、透射率、吸收率；
[0036]圖4光電陰極應(yīng)用案例示意圖。
【具體實施方式】
[0037]現(xiàn)有的光電陰極效率提升的主要瓶頸在于，入射光在陰極表面部分發(fā)射，部分透射，造成信號損失，這就無法使陰極對入射光充分吸收并轉(zhuǎn)化為光電子。反射損耗是由于陰極襯底與陰極的折射率不匹配，為解決此問題，通過在襯底與陰極之間增加一層薄膜，使薄膜的折射率與襯底、陰極相匹配，達到增透的效果。
[0038]上述內(nèi)容實現(xiàn)具體采用下述方式:該高靈敏度銻堿光電陰極，工作在透射模式下，通過在光電陰極襯底與光電陰極發(fā)射層之間制作增透層。該增透層可以減低入射光在交界面處的反射損失，使光電陰極接受輻射光增多，陰極可以更充分的吸收入射光并發(fā)射電子，提高靈敏度(光電陰極光電流與入射光功率之比)。
[0039]入射光照射在光電陰極時，光電陰極吸收入射光，并激發(fā)電子，電子在光電陰極內(nèi)部運動的過程中會產(chǎn)生散射，有部分電子會偏離正確的方向，朝向襯底方向運動，增透層材料一定程度阻攔并反射逆向的電子，使電子運動方向與入射光方向保持一致，從而提高電子逸出真空幾率，最終提高其靈敏度。
[0040]制作此種光電陰極時，需要選擇合適的襯底作為入射光窗口，襯底應(yīng)選用電真空玻璃，對在300-1000nm波長范圍內(nèi)的入射光具有高透射率，要求加工性能良好，具有良好的強度、熱膨脹系數(shù)、熱穩(wěn)定性等。光電陰極的制作過程是在高真空環(huán)境下進行，在襯底上制作增透層，增透層折射率在2.3-2.6之間，可以使增透層的折射率與襯底、陰極相匹配，最大限度降低反射損失。通過真空蒸鍍的方式將堿金屬與銻沉積制作的增透層上，形成厚度為20-100nm的光電陰極發(fā)射層。
[0041]為充分利用未被陰極吸收的透射光，在制作光電倍增管時，對光電倍增管底部制作鋁反射層，可使透射光反射重新被陰極吸收。或者在鋁反射層上制作光電陰極發(fā)射層，使其工作在反射模式下。
[0042]下面將詳細描述本發(fā)明的具體實施例。應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實施例只用于舉例說明，并不限制本發(fā)明。
[0043]圖1為透射式光電陰極的截面結(jié)構(gòu)示意圖，包括可以透射入射光的襯底101、制作在襯底上的光電陰極增透層102、制作在增透層上的光電陰極發(fā)射層103。襯底與增透層界面為101a，光電陰極增透層與光電陰極發(fā)射層界面為102a。入射光從襯底101 —側(cè)入射，經(jīng)過增透層，入射光在界面IOla及102a處反射一小部分后，照射在光電陰極發(fā)射層上，所產(chǎn)生的電子由103側(cè)發(fā)射進入真空。
[0044]所述光電陰極的襯底為一真空容器，能夠透射入射光，特別是在300_1000nm波長范圍內(nèi)的入射光，一般選用石英玻璃或者硼硅玻璃。在制作過程在高真空下進行，真空度在10-6Pa以上。真空度越高越好，當(dāng)真空度較低時，光電陰極穩(wěn)定性變差。
[0045]增透層材料折射率在2.3-2.6之間，對入射光無吸收，耐高溫，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的低膨脹系數(shù)，可能包含鋯、釔、錳等氧化物及氮化硅形成的結(jié)晶混合物。
[0046]在制作增透層完成后，在此基礎(chǔ)上制作光電陰極發(fā)射層，通過真空蒸鍍按照一定工藝流程將堿金屬與銻沉積在增透層上。
[0047]為了使光電陰極具有最佳靈敏度，應(yīng)當(dāng)控制光電陰極發(fā)射層的薄膜厚度，本例中光電陰極發(fā)射層的厚度在20-100nm之間，增透層厚度對其靈敏度影響較小，但應(yīng)保證其均勻性和穩(wěn)定性。
[0048]圖2和圖3表示在有無光電陰極增透層時，入射光的反射率、吸收率、透射率。對比可知，存在增透層時，在400nm左右的入射光反射率降低到4%左右，為入射光在襯底與空氣界面的反射產(chǎn)生，而原本在光電陰極與襯底界面的反射損失基本被消除。
[0049]以下描述所述光電陰極應(yīng)用在光電倍增管時的實施案例，如圖4所不,401為光電倍增管的真空容器，即光電陰極襯底，402為光電陰極，形成于此真空容器的內(nèi)表面，403為電子收集及倍增部分，404為鋁反射層。
[0050]當(dāng)在光電陰極響應(yīng)波長范圍內(nèi)的入射光照射在光電倍增管上時，入射光會分為三部分，一部分反射光，一部分被光電陰極吸收，未吸收部分透射進入真空容器內(nèi)，經(jīng)過鋁反射層反射重新照射在光電陰極上，還可以被光電陰極重新吸收。
[0051]光電陰極吸收入射光后發(fā)射電子，電子逸出真空后會被電子收集極收集并倍增，由弓I線將倍增后的電流導(dǎo)出，即可獲得探測信號。
[0052]雖然上面已經(jīng)描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語是說明和示例性，而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實施例不限于任何前述的細節(jié)，而應(yīng)在附隨權(quán)利要求書所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為附權(quán)利要求所涵
JHL ο
【權(quán)利要求】
1.一種高靈敏度銻堿光電陰極，其特征在于:包括光電陰極襯底，所述光電陰極襯底上設(shè)置有陰極增透層，陰極增透層上設(shè)置有銻堿光電陰極發(fā)射層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度銻堿光電陰極，其特征在于:所述光電陰極發(fā)射層是由銻和堿金屬通過真空蒸發(fā)制備而成；所述堿金屬是鈉、鉀、銫任一或任意多種以任意比例混合形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度銻堿光電陰極，其特征在于:所述銻堿光電陰極發(fā)射層的厚度為20-100nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度銻堿光電陰極，其特征在于:所述陰極增透層折射率位于2.3-2.6之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度銻堿光電陰極，其特征在于:所述光電陰極襯底為石英玻璃或者硼硅玻璃。
6.一種光電倍增管，包括覆蓋在真空容器內(nèi)表面的光電陰極，其特征在于:所述光電陰極包括光電陰極襯底，所述光電陰極襯底上設(shè)置有陰極增透層，陰極增透層上設(shè)置有銻堿光電陰極發(fā)射層；所述光電陰極覆蓋在真空容器的全部或部分內(nèi)表面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電倍增管，其特征在于:所述光電陰極發(fā)射層是由銻和堿金屬通過真空蒸發(fā)制備而成；所述堿金屬是鈉、鉀、銫任一或任意多種以任意比例混合形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電倍增管，其特征在于:所述銻堿光電陰極發(fā)射層的厚度為 20_100nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電倍增管，其特征在于:所述陰極增透層折射率位于2.3-2.6 之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電倍增管，其特征在于:所述光電陰極襯底為石英玻璃或者硼硅玻璃。
11.一種高靈敏度銻堿光電陰極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1]制作陰極增透層 選擇可以透射入射光的襯底，并在該襯底上制作在增透層，增透層折射率位于2.3-2.6之間； 2]制作光電陰極發(fā)射層 通過真空蒸鍍的方式將堿金屬與銻沉積在步驟I制作的增透層上，形成厚度為20-1OOnm的光電陰極發(fā)射層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高靈敏度銻堿光電陰極的制備方法，其特征在于:所述堿金屬是鈉、鉀、銫任一或任意多種以任意比例混合形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的高靈敏度銻堿光電陰極的制備方法，其特征在于:所述步驟I中所述的襯底為石英玻璃或者硼硅玻璃。
【文檔編號】H01J40/06GK103715033SQ201310742762
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】徐向晏, 安迎波, 孫巧霞, 劉虎林, 曹希斌, 盧裕, 田進壽, 董改云 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所