一種微通道型入射窗的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微通道型入射窗。
【背景技術(shù)】
[0002]光電陰極是光電倍增管、條紋相機(jī)以及像增強(qiáng)器等光電探測(cè)與成像器件的核心，其作用是將入射的微弱光信號(hào)通過陰極材料本身的光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為可被探測(cè)的電信號(hào)。為了測(cè)量微弱光信號(hào)，通常的光電探測(cè)器將光電陰極與電子倍增器相結(jié)合，將電信號(hào)進(jìn)行倍增放大。
[0003]傳統(tǒng)的電子倍增方式主要有兩種，一種是打拿極結(jié)構(gòu)；中國(guó)專利，專利公開號(hào)為CN101924007B，名稱為一種光電倍增管，披露該技術(shù)，該技術(shù)的具體方案是:表面鍍有二次電子發(fā)射材料，當(dāng)從光電陰極發(fā)出的光電子轟擊這些打拿極后，光電子數(shù)目會(huì)級(jí)聯(lián)倍增，達(dá)到放大光電子信號(hào)的目的，增益一般可達(dá)107，這種電子倍增器尤其在光電倍增管中廣泛應(yīng)用。
[0004]另一種電子倍增器為微通道板，其原理與打拿極電子倍增器原理近似，但具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)；中國(guó)專利，專利公開號(hào)為CN100479086C，名稱為一種寬時(shí)間分辨率的雙微通道板分幅變像管，該專利披露的技術(shù)具體是:微通道板是由上百萬個(gè)微孔結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)微孔都具有二次電子倍增的功能，增益一般也可達(dá)107，這種電子倍增器正在越來越多地被光電倍增管、像增強(qiáng)器等真空光電器件采用。
[0005]打拿極結(jié)構(gòu)體積大，且需要對(duì)每個(gè)分立電極施加不同的電壓，微通道結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，增益高，但是由于通道內(nèi)二次電子發(fā)射材料的發(fā)射系數(shù)低，導(dǎo)致通道長(zhǎng)度長(zhǎng)，為獲得高增益需在通道板上施加上千伏的電壓。在上述兩種電子倍增結(jié)構(gòu)中，光電陰極與電子倍增器是分離的，導(dǎo)致光電器件的結(jié)構(gòu)通常非常復(fù)雜，制備極其困難，因此器件的性能欠佳，產(chǎn)品價(jià)格昂貴，且產(chǎn)品的成品率得不到保證。
[0006]另外，光電陰極光電子發(fā)射的微觀過程可用“三步模型”解釋:第一步，光電陰極吸收入射光子而產(chǎn)生光電子并到達(dá)導(dǎo)帶;第二步，具有較大動(dòng)能的光電子在擴(kuò)散作用下向光電陰極表面輸運(yùn);第三步，如果光電子仍然具有較大的動(dòng)能，則可溢出光電陰極表面到達(dá)真空。量子效率是衡量光電陰極最主要的指標(biāo)，可用表達(dá)式QE = P1P2P3表示，其中QE為量子效率，Pl為入射光子被光電陰極吸收的幾率，P2為入射光子轉(zhuǎn)換為光電子并到達(dá)光電陰極表面的幾率，P3為光電子逃逸出光電陰極表面到達(dá)真空的幾率。理論計(jì)算表明，在波長(zhǎng)為400nm入射光的情況下，入射光中約有40 %可被光電陰極吸收，30 %被光電陰極基底反射，30%穿透光電陰極基底與光電陰極而透射出去。而被吸收的入射光中約有50%會(huì)產(chǎn)生光電子并溢出光電陰極表面，因此，傳統(tǒng)光電陰極的量子效率一般為20%左右。
[0007]目前，提高光電陰極量子效率的方法主要有兩種:一種是優(yōu)化光電陰極的制備工藝，該工藝通過控制陰極的厚度使得陰極可吸收最多的入射光子并轉(zhuǎn)換為光電子逸出陰極表面，或者通過改變制備過程中的工藝參數(shù)生成具有最佳化學(xué)組分、晶格結(jié)構(gòu)以及表面形貌的光電陰極，提高電子到達(dá)陰極表面的輸運(yùn)能(M0PF1081 ,Proceedings of IPAC2013)；中國(guó)專利，專利號(hào)為:CN103715033A和美國(guó)專利，專利號(hào)為US20100096985A1，披露了另一種方法，該方法是在基底表面首先形成一層氧化物增透膜層，該膜層可極大地提高陰極對(duì)入射光的吸收效率從而使陰極的量子效率增加。
[0008]接近半個(gè)世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)表明通過改變光電陰極制備工藝來提高量子效率的努力收效甚微;增透膜層的引入盡管能有效提高光量子效率。但仍然存在以下問題:
[0009]由于對(duì)光電陰極的發(fā)射理論還沒有明確的認(rèn)識(shí)，光電陰極材料的物理參數(shù)如介電常數(shù)、折射率等沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)參考，因此很難選取合適的增透膜材料；
[0010]光電陰極的厚度對(duì)量子效率的影響很大，尤其是透射式光電陰極，需要增透膜層的厚度與光電陰極的厚度嚴(yán)格匹配實(shí)現(xiàn)高量子效率，這在現(xiàn)有光電陰極制作工藝中也較難實(shí)現(xiàn)；
[0011]絕大多數(shù)的光電陰極制備于球形的玻璃殼中，而增透膜的材料通常為難熔的氧化物，如何在大面積球形表面采用電子束蒸發(fā)的工藝實(shí)現(xiàn)高均勻性的膜層蒸發(fā)仍然是一個(gè)難題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0012]本實(shí)用新型的目的是提供一種微通道型入射窗，該入射窗兼具光電發(fā)射和電子倍增的功能，可有效解決現(xiàn)有光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備困難、成本高昂的缺點(diǎn)，同時(shí)利用入射窗的蜂窩式構(gòu)造來增大光電陰極的有效面積，提高入射光子被光電陰極吸收的幾率，進(jìn)而提高光電陰極量子效率。
[0013]本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案如下:
[0014]一種微通道型入射窗，其特征在于:包括入射窗基體，所述入射窗基體為蜂窩式結(jié)構(gòu)，蜂窩式結(jié)構(gòu)包括多個(gè)通孔，通孔采用普通光刻和離子束刻蝕或酸法腐蝕工藝形成;入射窗基體表面以及多個(gè)通孔內(nèi)均沉積有光電陰極層。
[0015]上述通孔的截面呈圓形或橢圓或正多邊形或梯形或半圓形。
[0016]上述通孔的孔徑為2微米至20微米，通孔長(zhǎng)度為20微米至800微米，所述蜂窩式結(jié)構(gòu)的全部通孔的開口比大于60 %。
[0017]上述通孔具有6度至30度的傾斜角度。
[0018]上述入射窗基體采用玻璃或藍(lán)寶石或者氟化鎂制成。
[0019]上述的光電陰極層包括對(duì)X光敏感的金屬陰極、或是對(duì)紫外光敏感的日盲型陰極、或是對(duì)可見光敏感的堿金屬陰極、或是可對(duì)紅外光敏感的負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極。
[0020]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:
[0021]1.本實(shí)用新型的蜂窩式結(jié)構(gòu)的入射窗與光電陰極層是一個(gè)整體，光電陰極層生長(zhǎng)于制作有N個(gè)通孔的入射窗上，無需額外的裝配。
[0022]2.本實(shí)用新型與傳統(tǒng)的微通道板相比，本專利直接使用光電陰極層作為二次電子發(fā)射材料，其二次電子發(fā)射系數(shù)比傳統(tǒng)微通道板二次電子發(fā)射材料的二次電子發(fā)射系數(shù)高至少2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可產(chǎn)生更高的電子增益。
[0023]3.由于采用了光電陰極層作為二次電子發(fā)射材料，所以不需要很嚴(yán)格的孔徑與長(zhǎng)度的限制就能產(chǎn)生很高的增益，所需的電壓也較小，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備容易，可降低成本。
[0024]4、本實(shí)用新型采用蜂窩式結(jié)構(gòu)增大了光電陰極層的有效面積，提高了光電陰極層對(duì)入射光的吸收率，進(jìn)而提高了光電陰極的量子效率。
[0025]5、本實(shí)用新型可采用原子層沉積技術(shù)、分子束外延技術(shù)以及兩者結(jié)合的方式進(jìn)行光電陰極層的制備，適用性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0026]圖1為微通道型入射窗的截面示意圖；
[0027]圖2為基于微通道型光電陰極的光電探測(cè)器原理示意圖；
[0028]圖3為微通道型光電陰極制備工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]基于現(xiàn)有技術(shù)中光電陰極與電子倍增器是分離的這種方式所帶來的光電器件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，制備極其困難，性能欠佳，產(chǎn)品價(jià)格昂貴，且產(chǎn)品的成品率得不到保證的問題，本實(shí)用新型提出了一種微通道型入射窗及其制作方法解決了上述問題。
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)微通道型入射窗做進(jìn)一步的說明。
[0031]如圖1所示，入射窗基體為蜂窩式結(jié)構(gòu)I，蜂窩式結(jié)構(gòu)包括多個(gè)通孔2，通孔2采用光刻與刻蝕的制備工藝形成，每個(gè)通孔2的孔徑R為2微米至20微米，通孔2長(zhǎng)度L為20微米至800微米，蜂窩式結(jié)構(gòu)I的全部通孔的開口比大于60%;入射窗基體表面以及多個(gè)通孔內(nèi)均沉積有光電陰極層3。此處需要說明的是:開口比是指在一個(gè)橫截面下，所有通孔的表面積與入射窗總表面積的比值。
[0032]需要特別說明的是:根據(jù)不同的使用要求，通孔2的截面呈圓形或橢圓或正多邊形或梯形或半圓形。
[0033]為了使入射窗產(chǎn)生的光電子在通孔內(nèi)與二次電子發(fā)射層產(chǎn)生多次碰撞實(shí)現(xiàn)電子倍增功能，需將該通孔制作成一定的角度，根據(jù)現(xiàn)有微通道板的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)最大的電子增益，該通孔2具有6度至30度的傾斜角度Θ。
[0034]根據(jù)不同的使用要求，入射窗采用玻璃或藍(lán)寶石或者氟化鎂制成。
[0035]另外需要重點(diǎn)說明的一點(diǎn)是:該光電陰極層為對(duì)X光敏感的金屬陰極，如銻光電陰極;或者是對(duì)紫外光敏感的日盲型光電陰極，如銫-碲光電陰極;或者是對(duì)可見光敏感的堿金屬光電陰極，如金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銫、銣中一種或幾種組成的混合物；或者是可對(duì)紅外光敏感的負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極，如砷化鎵光電陰極層等。
[0036]根據(jù)上面對(duì)入射窗的結(jié)構(gòu)描述，現(xiàn)對(duì)該入射窗的制作方法進(jìn)行描述:
[0037]步驟I)將入射窗在丙酮、酒精和去離子水中依次進(jìn)行超聲清洗；
[0038]步驟2)采用普通光刻和離子束刻蝕或酸法腐蝕工藝在入射窗上制作蜂窩式結(jié)構(gòu)；
[0039]步驟3)對(duì)刻蝕成蜂窩式結(jié)構(gòu)的入射窗進(jìn)行高溫退火處理后再次清洗入射窗；
[0040]步驟4)利用原子層沉積技術(shù)在入射窗基體上制備對(duì)X光敏感的