CN103715033A - 一种高灵敏度锑碱光电阴极和光电倍增管 - Google Patents
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Abstract
一种高灵敏度锑碱光电阴极和光电倍增管，该光电阴极灵敏度相对传统光电阴极有显著提升。该高灵敏度锑碱光电阴极包括光电阴极衬底，光电阴极衬底上设置有阴极增透层，阴极增透层上设置有锑碱光电阴极发射层。其中阴极增透层的折射率在2.3-2.6之间，可以大幅降低入射光损失，并可在一定程度将行进方向与入射光方向相反的电子反向，提高光电阴极量子效率。
Description
技术领域
本发明设计属于光电探测技术领域，具体为一种可以吸收响应光谱范围内入射光并发射电子的锑碱光电阴极，以及采用该锑碱光电阴极制备的光电倍增管。
背景技术
光电倍增管是用于探测微光信号的光电器件，光电阴极是其光电信号转换部分，通过真空蒸镀附着在光电倍增管玻壳的内表面，在光照情况下产生光电子。由于GaAs光电阴极制作难度大，且不能在曲面衬底上制作，目前光电倍增管大多采用锑碱光电阴极。根据入射光和出射电子方向，光电阴极分为两类：透射式和反射式。
透射式光电阴极的激发电子方向与入射光相同，由于阴极的折射率较高，入射光透过玻壳后在阴极与玻壳界面的存在很高的反射率，约有25%的光能损失，这使光电阴极的量子效率大打折扣。如果能够提高光电阴极的量子效率，可使其应用范围更广，探测效率更高。
常见提高光电阴极量子效率的方法主要有：
1，使用高纯的材料，减小杂质散射复合几率，增大光电子扩散长度；
2，优化阴极厚度，使阴极光吸收与电子输运长度之间取得较好的权衡；
3，优化材料组份及其工艺，减少阴极晶格缺陷，降低电子输运过程散射几率；
4，优化激活工艺，降低表面亲和势；
5，阴极衬底上制作增透层，减少入射光反射损失，增加光吸收。
其中第1-4项受工艺的限制，提高空间很小，而第5项还没有发展成熟，还有很大的挖掘潜力。
在专利CN200710305894、CN201010157693中，对光电阴极的增透层进行了部分研究，不清楚其具体工艺，其量子效率还有进一步提升的空间。
发明内容
本发明提供一种高灵敏度锑碱光电阴极和光电倍增管，主要解决了现有机构入射光损耗率高，灵敏度低的问题。
本发明的具体技术解决方案如下：
该高灵敏度锑碱光电阴极包括光电阴极衬底，所述光电阴极衬底上设置有阴极增透层，阴极增透层上设置有锑碱光电阴极发射层。
上述光电阴极发射层是由锑和碱金属通过真空蒸发制备而成；所述碱金属是钠、钾、铯任一或任意多种以任意比例混合形成。
上述锑碱光电阴极发射层的厚度为20-100nm。
上述阴极增透层折射率位于2.3-2.6之间。
上述光电阴极衬底为石英玻璃或者硼硅玻璃。
一种应用该高灵敏度锑碱光电阴制成的光电倍增管，包括覆盖在真空容器内表面的光电阴极，光电阴极包括光电阴极衬底，所述光电阴极衬底上设置有阴极增透层，阴极增透层上设置有锑碱光电阴极发射层；所述光电阴极覆盖在真空容器的全部或部分内表面上。
上述光电阴极发射层是由锑和碱金属通过真空蒸发制备而成；所述碱金属是钠、钾、铯任一或任意多种以任意比例混合形成。
上述锑碱光电阴极发射层的厚度为20-100nm。
上述阴极增透层折射率位于2.3-2.6之间。
上述光电阴极衬底为石英玻璃或者硼硅玻璃。
该高灵敏度锑碱光电阴极的制备方法包括以下步骤：
1]制作阴极增透层
选择可以透射入射光的衬底，并在该衬底上制作在增透层，增透层折射率位于2.3-2.6之间；
2]制作光电阴极发射层
通过真空蒸镀的方式将碱金属与锑沉积在步骤1制作的增透层上，形成厚度为20-100nm的光电阴极发射层。
上述碱金属是钠、钾、铯任一或任意多种以任意比例混合形成。
上述步骤1中所述的衬底为石英玻璃或者硼硅玻璃。
本发明的优点如下：
该高灵敏度锑碱光电阴极减少入射光损耗率，提高光电阴极吸收率，进而提高光电阴极灵敏度，利用该高灵敏度锑碱光电阴极制作的光电倍增管也相应的提高了性能。
附图说明
图1透射式光电阴极的截面结构示意图；
图2无增透层时，入射光照射在光电阴极上的反射率、透射率、吸收率；
图3有增透层时，入射光照射在光电阴极上的反射率、透射率、吸收率；
图4光电阴极应用案例示意图。
具体实施方式
现有的光电阴极效率提升的主要瓶颈在于，入射光在阴极表面部分发射，部分透射，造成信号损失，这就无法使阴极对入射光充分吸收并转化为光电子。反射损耗是由于阴极衬底与阴极的折射率不匹配，为解决此问题，通过在衬底与阴极之间增加一层薄膜，使薄膜的折射率与衬底、阴极相匹配，达到增透的效果。
上述内容实现具体采用下述方式：该高灵敏度锑碱光电阴极，工作在透射模式下，通过在光电阴极衬底与光电阴极发射层之间制作增透层。该增透层可以减低入射光在交界面处的反射损失，使光电阴极接受辐射光增多，阴极可以更充分的吸收入射光并发射电子，提高灵敏度（光电阴极光电流与入射光功率之比）。
入射光照射在光电阴极时，光电阴极吸收入射光，并激发电子，电子在光电阴极内部运动的过程中会产生散射，有部分电子会偏离正确的方向，朝向衬底方向运动，增透层材料一定程度阻拦并反射逆向的电子，使电子运动方向与入射光方向保持一致，从而提高电子逸出真空几率，最终提高其灵敏度。
制作此种光电阴极时，需要选择合适的衬底作为入射光窗口，衬底应选用电真空玻璃，对在300-1000nm波长范围内的入射光具有高透射率，要求加工性能良好，具有良好的强度、热膨胀系数、热稳定性等。光电阴极的制作过程是在高真空环境下进行，在衬底上制作增透层，增透层折射率在2.3-2.6之间，可以使增透层的折射率与衬底、阴极相匹配，最大限度降低反射损失。通过真空蒸镀的方式将碱金属与锑沉积制作的增透层上，形成厚度为20-100nm的光电阴极发射层。
为充分利用未被阴极吸收的透射光，在制作光电倍增管时，对光电倍增管底部制作铝反射层，可使透射光反射重新被阴极吸收。或者在铝反射层上制作光电阴极发射层，使其工作在反射模式下。
下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不限制本发明。
图1为透射式光电阴极的截面结构示意图，包括可以透射入射光的衬底101、制作在衬底上的光电阴极增透层102、制作在增透层上的光电阴极发射层103。衬底与增透层界面为101a，光电阴极增透层与光电阴极发射层界面为102a。入射光从衬底101一侧入射，经过增透层，入射光在界面101a及102a处反射一小部分后，照射在光电阴极发射层上，所产生的电子由103侧发射进入真空。
所述光电阴极的衬底为一真空容器，能够透射入射光，特别是在300-1000nm波长范围内的入射光，一般选用石英玻璃或者硼硅玻璃。在制作过程在高真空下进行，真空度在10-6Pa以上。真空度越高越好，当真空度较低时，光电阴极稳定性变差。
增透层材料折射率在2.3-2.6之间，对入射光无吸收，耐高温，化学性质稳定，具有良好的低膨胀系数，可能包含锆、钇、锰等氧化物及氮化硅形成的结晶混合物。
在制作增透层完成后，在此基础上制作光电阴极发射层，通过真空蒸镀按照一定工艺流程将碱金属与锑沉积在增透层上。
为了使光电阴极具有最佳灵敏度，应当控制光电阴极发射层的薄膜厚度，本例中光电阴极发射层的厚度在20-100nm之间，增透层厚度对其灵敏度影响较小，但应保证其均匀性和稳定性。
图2和图3表示在有无光电阴极增透层时，入射光的反射率、吸收率、透射率。对比可知，存在增透层时，在400nm左右的入射光反射率降低到4%左右，为入射光在衬底与空气界面的反射产生，而原本在光电阴极与衬底界面的反射损失基本被消除。
以下描述所述光电阴极应用在光电倍增管时的实施案例，如图4所示，401为光电倍增管的真空容器，即光电阴极衬底，402为光电阴极，形成于此真空容器的内表面，403为电子收集及倍增部分，404为铝反射层。
当在光电阴极响应波长范围内的入射光照射在光电倍增管上时，入射光会分为三部分，一部分反射光，一部分被光电阴极吸收，未吸收部分透射进入真空容器内，经过铝反射层反射重新照射在光电阴极上，还可以被光电阴极重新吸收。
光电阴极吸收入射光后发射电子，电子逸出真空后会被电子收集极收集并倍增，由引线将倍增后的电流导出，即可获得探测信号。
虽然上面已经描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性，而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在附随权利要求书所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为附权利要求所涵盖。
Claims (13)
1.一种高灵敏度锑碱光电阴极，其特征在于：包括光电阴极衬底，所述光电阴极衬底上设置有阴极增透层，阴极增透层上设置有锑碱光电阴极发射层。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度锑碱光电阴极，其特征在于：所述光电阴极发射层是由锑和碱金属通过真空蒸发制备而成；所述碱金属是钠、钾、铯任一或任意多种以任意比例混合形成。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度锑碱光电阴极，其特征在于：所述锑碱光电阴极发射层的厚度为20-100nm。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度锑碱光电阴极，其特征在于：所述阴极增透层折射率位于2.3-2.6之间。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度锑碱光电阴极，其特征在于：所述光电阴极衬底为石英玻璃或者硼硅玻璃。
6.一种光电倍增管，包括覆盖在真空容器内表面的光电阴极，其特征在于：所述光电阴极包括光电阴极衬底，所述光电阴极衬底上设置有阴极增透层，阴极增透层上设置有锑碱光电阴极发射层；所述光电阴极覆盖在真空容器的全部或部分内表面上。
7.根据权利要求6所述的光电倍增管，其特征在于：所述光电阴极发射层是由锑和碱金属通过真空蒸发制备而成；所述碱金属是钠、钾、铯任一或任意多种以任意比例混合形成。
8.根据权利要求6所述的光电倍增管，其特征在于：所述锑碱光电阴极发射层的厚度为20-100nm。
9.根据权利要求6所述的光电倍增管，其特征在于：所述阴极增透层折射率位于2.3-2.6之间。
10.根据权利要求6所述的光电倍增管，其特征在于：所述光电阴极衬底为石英玻璃或者硼硅玻璃。
11.一种高灵敏度锑碱光电阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1]制作阴极增透层
选择可以透射入射光的衬底，并在该衬底上制作在增透层，增透层折射率位于2.3-2.6之间；
2]制作光电阴极发射层
通过真空蒸镀的方式将碱金属与锑沉积在步骤1制作的增透层上，形成厚度为20-100nm的光电阴极发射层。
12.根据权利要求11所述的高灵敏度锑碱光电阴极的制备方法，其特征在于：所述碱金属是钠、钾、铯任一或任意多种以任意比例混合形成。
13.根据权利要求12所述的高灵敏度锑碱光电阴极的制备方法，其特征在于：所述步骤1中所述的衬底为石英玻璃或者硼硅玻璃。
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