超二代像增强器多碱阴极电子逸出机理研究

测量了超二代像增强器多碱阴极的光谱反射率和透射率,计算了多碱阴极的光谱吸收率。从光谱吸收率看出,当波长大于850 nm以后,多碱阴极的吸收率下降很快,但当波长大于915 nm之后,吸收率的下降变慢,同时吸收率低于5%。这说明多碱阴极的Na2KSb膜层存在一个915 nm的长波吸收限,入射光的波长如果大于该吸收限,多碱阴极将不吸收。多碱阴极在吸收光子之后的电子跃迁过程中,跃迁电子的能量增加小于所吸收的光子能量,即存在"能量损失"。光子的能量越高,跃迁电子的能级越高,能量损失越大。超二代像增强器Na2KSb阴极膜层在Cs激活之后,荧光的峰值波长向短波方向移动,发生"蓝移"现象,表明多碱阴极Na2KSb膜层在进行表面Cs激活之后,跃迁电子的能级有所升高。多碱阴极无论是单独采用Cs激活还是采用Cs、Sb同时激活,光谱响应的长波阈值基本相同,但光谱响应却不相同,原因是采用Cs、Sb同时激活时,Na2KSb阴极膜层存在"体积"效应。由于Na2KSb阴极存在长波吸收限,对应的光子能量为1.35 eV,因此如果多碱阴极的逸出功进一步降低并且低于1.35 eV时,尽管多碱阴极的光谱响应会进一步提高,但光谱响应的长波阈并不会向长波方向延伸,此时多碱阴极光谱响应的长波阈值由其长波吸收限所决定。     

TiO2薄膜基底上制作多碱光电阴极的探索研究

在TiO_2薄膜基底上制作多碱光电阴极,发现多碱光电阴极制作工艺无法正常进行,多碱光电阴极的颜色为暗黑色,并且阴极灵敏度非常低,而正常的多碱光电阴极应为红褐色。其中TiO_2薄膜基底利用原子层沉积(ALD)工艺制备在玻璃窗上,并且具有锐钛矿晶体结构。X射线衍射仪(XRD)分析发现,制作多碱阴极后的TiO_2薄膜样品锐钛矿衍射峰基本消失,另外X射线光电子能谱(XPS)分析发现该TiO_2薄膜样品不同深度均存在Na元素,由此表明是Na元素渗透到TiO_2薄膜中,破坏了薄膜的晶体结构,并且导致多碱光电阴极灵敏度非常低。为此提出了一种在制作多碱光电阴极之前,在TiO_2薄膜上利用ALD工艺制作一层Al_2O_3钝化膜的方法。经过实验验证,证实该方法可以有效避免Na元素渗透到TiO_2薄膜,同时多碱光电阴极制作过程可正常进行,多碱光电阴极的颜色为红褐色,阴极灵敏度超过800mA/lm。这为将来深入研究采用TiO_2薄膜作为多碱光电阴极的减反膜打下了基础。     

会议文章 发射层对指数掺杂Ga1-xAlxAs/GaAs光阴极性能的影响

为了探索发射层厚度对指数掺杂Ga1-xAlxAs/GaAs光电阴极光学性能与光电发射性能的影响,实验制备了两种发射层厚度不同的阴极样品,并测试得到400~1000 nm内反射率、透射率与光谱响应曲线。实验结果说明发射层2.0 μm厚的样品比1.6 μm厚的样品性能更好。利用薄膜光学矩阵理论公式计算阴极膜系反射率、透射率、吸收率与发射层厚度的关系公式,并对原有的量子效率公式进行光谱反射率和短波截止限的修正。用修正后的公式仿真不同发射层厚度下光阴极吸收率与光谱响应曲线,指出发射层厚度对阴极光学性能与光电发射性能的不同影响。进一步计算得到指数掺杂的Ga1-xAlxAs/GaAs光电阴极最佳发射层厚度范围是1.8~2.4 μm。     

多碱阴极激活过程中逸出功及电子跃迁变化研究

测量了未经过Cs激活、经过Cs激活以及经过Cs-Sb激活的三种多碱阴极的光谱响应及荧光谱。测量结果表明,Na2KSb阴极膜层经表面激活之后,阴极灵敏度和长波截止波长均有所增加,但荧光谱的峰值波长和峰值荧光强度基本保持不变。长波截止波长的增加说明逸出功降低,因此多碱阴极Na2KSb膜层经Cs激活之后,阴极灵敏度提高和长波截止波长增加的原因是逸出功的降低。Na2KSb膜层同时经过Cs-Sb激活之后,阴极灵敏度和长波截止波长较仅仅经过Cs激活的多碱阴极有进一步更大幅度的提高和增加,但同时荧光谱的峰值波长向短波方向移动,峰值荧光强度增加。荧光谱的峰值波长向短波方向移动,说明跃迁电子的能级有所升高,而荧光谱的峰值强度增加,意味着跃迁电子的数量增加。多碱阴极Na2KSb膜层经过Cs-Sb激活之后,跃迁电子的数量增加以及跃迁电子的能级升高,对阴极灵敏度的提高而言,所取得的作用相同。因此多碱阴极Na2KSb膜层经过Cs-Sb激活之后,阴极灵敏度和长波截止波长提高的原因除了表面逸出功降低之外,还有跃迁电子数量增加以及跃迁电子能级提高的原因。多碱阴极表面电子逸出机理至今仍未定论,因此要进一步提高多碱阴极的灵敏度,需要进一步研究多碱阴极表面激活过程中的客观规律,为进一步改进多碱阴极的制作工艺,提高多碱阴极的灵敏度提供理论指导。     

多碱阴极光学反射率监控

介绍了在一代象增强器多碱阴极制备过程中，对光学反射率进行连续监控的装置，并对试验结果作了简单的分析。研究结果表明，Ｎａ２ＫＳｂ材料在制备过程中是逐层生长的，在锑、钾交替过程中，其化学置换反应仅发生在表面层一定的厚度内。多碱阴极的实测反射率曲线越接近理论曲线，其灵敏度也越高。多碱阴极膜层厚度的增加，可以导致其长波响应的增加。对一代象增强器而言，多碱阴极的最佳厚度约为１２０ｎｍ。     

发射层对指数掺杂Ga1-χAlχ As/GaAs光阴极性能的影响

为了探索发射层厚度对指数掺杂Ga1-χAlχAs/GaAs光电阴极光学性能与光电发射性能的影响,实验制备了两种发射层厚度不同的阴极样品,并测试得到400μm～1 000 nm内反射率、透射率与光谱响应曲线.实验结果说明发射层2.0 μm厚的样品比1.6μm厚的样品性能更好.利用薄膜光学矩阵理论公式计算阴极膜系反射率、透射率、吸收率与发射层厚度的关系公式,并对原有的量子效率公式进行光谱反射率和短波截止限的修正.用修正后的公式仿真不同发射层厚度下光阴极吸收率与光谱响应曲线,指出发射层厚度对阴极光学性能与光电发射性能的不同影响.进一步计算得到指数掺杂的Ga1-χAlχAs/GaAs光电阴极最佳发射层厚度范围是1.8μm～2.4μm.     

多碱阴极XPS 分析研究

介绍了多碱阴极的特点及其在超二代像增强器中的应用。叙述了多碱阴极进行制作和封接,之后在XPS 分析仪器的预真空室中进行解封并送入仪器分析室进行分析的过程。对多碱阴极不同膜层厚度处各元素原子的百分比进行了XPS 分析。首先对多碱阴极的表面进行宽谱扫描,发现元素之后再针对各个元素进行窄谱扫描,之后进行氩离子刻蚀。刻蚀一定时间后再对多碱阴极表面进行宽谱或窄谱扫描,氩离子刻蚀一直进行到阴极玻璃窗的表面。通过氩离子刻蚀并结合XPS 能谱分析,得出了多碱阴极膜层内部不同厚度处Na 元素、K 元素和Sb 元素的原子百分比。结果表明:多碱阴极的结构是一种两层结构,即以Na2KSb 为基础层,表面再吸附Cs 原子层。两层膜层中,Na2KSb 基础层较厚,而Cs 原子层较薄,厚度仅为整个阴极膜层厚度的2.7%。另外,实测多碱阴极膜层中Na 原子、K 原子和Sb 原子数量的百分比并不完全遵循2:1:1 的化学计量比,并且在整个阴极膜层厚度范围内,三种元素的原子百分比并不保持恒定,未出现在某一位置处三种元素原子百分比达到2:1:1 的理想状态。原因是目前多碱阴极制作工艺对蒸发元素蒸发量的控制精度较低。理论和实践证明,只有获得具有严格化学计量比的Na2KSb 膜层才可能获得高的灵敏度,因此,如果采用分子束外延技术来制作多碱阴极,那么成分控制的精度将大大改善,2:1:1 的化学计量比才可能获得,阴极灵敏度才会得到进一步的提高。     

Na_2KSb光电阴极与GaAs光电阴极比较研究

测量了三代像增强器和超二代像增强器的阴极光谱反射率,结果表明在500～800 nm波长范围内,GaAs阴极的平均光谱反射率仅为6.5%,而Na2KSb阴极的平均光谱反射率却高达22%。采用减反技术之后,Na2KSb阴极的平均光谱反射率降为10%,与GaAs阴极相比还有一定的差距,因此还有进一步改进和提高的空间。测量了三代像增强器和超二代像增强器光电阴极的荧光谱,结果表明在785 nm波长激光的激发条件下,GaAs阴极的荧光谱峰值波长与Na2KSb阴极的荧光谱峰值波长基本相同,但荧光谱半峰宽和峰值强度却区别很大。说明GaAs阴极和Na2KSb阴极在吸收785nm波长光子后,所激发的电子跃迁的能级基本相同,但跃迁电子的数量区别却很大。GaAs阴极荧光谱的半峰宽较窄,说明GaAs阴极的晶格较Na2KSb阴极的晶格更完整。当Na2KSb阴极的膜层厚度从180 nm变为195 nm之后,由于跃迁电子距真空界面的距离增大,因此导致短波的量子效率减小。尽管膜层厚度加厚,长波光子的吸收更充分,但因受到电子扩散长度的限制,长波量子效率仅仅略有增加。这说明Na2KSb阴极的电子扩散长度远远小于GaAs阴极的电子扩散长度。GaAs阴极表面吸附Cs-O层之后,表面电子亲和势会降低,而多碱阴极表面吸附Cs-Sb层之后,不仅表面电子亲和势会降低,而且跃迁电子的能级会提高,跃迁电子的数量也会增加,这说明多碱阴极在进行表面Cs激活之后,阴极膜层内部的能带结构发生了变化。所以要提高多碱阴极的灵敏度,除了要控制好表面的Cs激活工艺之外,还需要控制好Na2KSb基础层的结构。只有一个结构良好的Na2KSb基础层,在Cs激活之后,能带结构的变化才会有利于跃迁电子能级的提高。     

提高多碱光电阴极红光响应的研究

本文主要研究在摄象管中增加多磁光电阴极的厚度,从而延长红光响应,提高了积分灵敏度;并从工艺上进行研究,提高了多碱光电阴极在摄象管中的峰值波长和阈值波长。在光电阴极的膜厚约110nm时,光谱响应峰值波长为630nm,阈值波长为950nm,且曲线蜂值部分相当平缓,积分灵敏度达300μA/lm。使硅靶微光摄象管在低照度单级使用的情况下效果更加明显。     

一种提高光电倍增器光电阴极量子效率的方法

提出了一种可以提高光电倍增管光电阴极量子效率的方法。通过分析光电阴极的光电发射过程,从提高光子吸收率Pa和光电子迁移至真空一侧材料表面的几率Pe出发,确定可以在光电阴极膜层结构设计上增加合适的膜层,该膜层具有高带隙和减反射的作用。由于光电倍增管的外壳通常为细长的玻璃管,而常规的溅射设备为50mm的大靶,直接使用大靶对细管内部镀膜,效率低下且均匀性差。在常规大靶的基础上进行改造,成功实现了在细管内部快速均匀镀膜。使用分光设备测试光电阴极的光谱响应,结果表明,改进产品的光电阴极量子效率从常规的25%提高至35%。     

多碱光电阴极光电发射过程研究

论述了多碱阴极及光致荧光的特点,测量了多碱阴极在514.5 nm和785 nm波长激光激发条件下的荧光谱。结果表明,多碱阴极在514.5 nm波长激光激发条件下,荧光峰值强度比785 nm波长激光激发条件下荧光峰值强度强40倍,说明514.5nm波长的电子跃迁几率低于785nm波长的电子跃迁几率,同时514.5 nm波长激光激发的荧光峰值波长为860 nm,而785 nm波长激光激发的荧光峰值波长为870 nm,514.5 nm波长激光激发的荧光峰值波长与激发光波长的偏移为345 nm,而785 nm波长激光激发的荧光峰值波长与激发光波长的偏移仅为85 nm,说明514.5 nm波长激发的跃迁电子的能量损失远大于785nm波长激发的跃迁电子的能量损失。原因是短波光子的能量较高,所激发的跃迁电子来源于较深能级,因此能量损失较大。多碱阴极的量子效率在2.11 eV达到最大,当光子的能量大于2.11 eV以后,由于跃迁电子的能量损失随光子能量的增加而增加,因此多碱阴极的量子效率随光子能量的增加而减小。多碱阴极的量子效率与电子跃迁几率成正比,但实测的量子效率曲线与电子跃迁几率曲线的峰值波长不一致,原因是随着光子能量的增加,跃迁电子的能级也增加,当电子跃迁的几率达到最大并下降时,尽管跃迁电子的几率减小,但因电子跃迁的能级还在提高,因此量子效率仍在增加。只有当跃迁几率的因素超过能级的因素以后,量子效率才随光子能量的增加而减小,因此造成量子效率曲线的峰值波长与跃迁几率的峰值波长不一致。通过多碱阴极光致荧光谱的分析,揭示了多碱阴极电子跃迁过程中的客观规律,解释了多碱阴极量子效率在达到最大值之后,量子效率随光子能量增加而减小以及多碱阴极量子效率存在短波限的原因。     

On the thickness of transmission-mode multialkali photocathode

The thickness of the transmission-mode photocathode directly affects its photoemission efficiency and spectral response. In this paper, the relationships between the thickness and the optical absorption of the photocathode and the escape depth of photo-electrons are discussed, the optimum thickness of the transmission-mode photocathode is theoretically analysed, and the method of monitoring and determining the optimum thickness is proposed.     

透射式多碱光阴极厚度的研究

透射式光阴极的厚度,直接影响光阴极的光电子发射效率和光谱响应。本文讨论了光学吸收和光电子逸出深度与多碱光阴极厚度的关系;从理论上分析了透射式多碱光阴极的最佳厚度。并提出了确定最佳厚度的监测和计算方法。最后给出了多碱光阴极在几个给定工作波长的最佳厚度。     

发射层对指数掺杂Ga1-χAlχ As/GaAs光阴极性能的影响

为了探索发射层厚度对指数掺杂Ga1-χAlχAs/GaAs光电阴极光学性能与光电发射性能的影响,实验制备了两种发射层厚度不同的阴极样品,并测试得到400μm～1 000 nm内反射率、透射率与光谱响应曲线.实验结果说明发射层2.0 μm厚的样品比1.6μm厚的样品性能更好.利用薄膜光学矩阵理论公式计算阴极膜系反射率、透...     

梯度掺杂GaN光电阴极的光谱响应测试与分析

用光谱响应测试仪得到了反射式梯度掺杂GaN光电阴极在激活和衰减过程中的光谱响应曲线,发现此曲线不断发生变化。在激活过程中光谱响应不断提高,且长波响应提高较快;衰减过程中光谱响应不断下降,长波响应下降得更快。结果表明：光谱响应曲线的变化与光电阴极高能光电子的逸出有关。GaN光电阴极发射的电子能量分布随入射光子能量升高而向高能端偏移,阴极表面势垒形状的变化对低能光激发电子的影响更大,导致光谱响应曲线随入射光波长改变而产生了不同的变化。     

多角度光谱测量法制备短波通滤光膜技术

详细论述了短波通滤光膜的理论设计与实际制备结果,光谱曲线偏离的原因及修正方法。首先选择高、低折射率膜料设计短波通滤光膜系,然后进行实际膜系制备。由于镀膜机存在控制误差,使得实际膜层制备厚度偏离理论厚度,导致实际制备光谱曲线超差。通过利用多角度光谱测量法对制备结果进行测量,依据多次测量结果的曲线偏离量,判断产生膜层厚度误差的膜料、膜层厚度误差的偏差大小及方向。在修正膜层厚度误差后,制备了光谱曲线平坦变化的短波通滤光膜。这种光谱性能更好的短波通滤光膜可以避免光学系统的偏色效应,此项技术为短波通滤光膜的设计与加工提供了新的理论依据与制备方案。     

超二代与三代像增强器性能的比较研究

超二代和三代像增强器是两种不同技术的像增强器,其在光电阴极、减反膜、离子阻挡膜以及阴极电压方面存在区别。在极限分辨力方面,尽管三代像增强器GaAs光电阴极的电子初速小、出射角分布较窄以及阴极电压较高,但目前两种像增强器的极限分辨力均相同,三代像增强器GaAs光电阴极的优势在现有极限分辨力水平下并未得到发挥。在信噪比方面,尽管GaAs光电阴极具有更高的阴极灵敏度,但因为较高的阴极电压以及离子阻挡膜透过率的影响,使得两种像增强器的信噪比基本相同,三代像增强器GaAs光电阴极高灵敏度的优势也未得到发挥。在增益方面,尽管三代像增强器具有更高的阴极灵敏度以及较高的阴极电压,但超二代像增强器通过提高微通道板的工作电压来弥补阴极灵敏度以及阴极电压的不足,因此在现有像增强器增益的条件下,两种像增强器的增益完全相同。在等效背景照度方面,由于三代像增强器GaAs光电阴极的灵敏度更高,因此在相同光电阴极暗电流的条件下,三代像增强器可以获得更低的等效背景照度,所以三代像增强器较超二代像增强器具有更高的初始对比度。在光晕方面,由于三代像增强器光电阴极的灵敏度较高,同时具有离子阻挡膜,因此理论上讲,三代像增强器较超二代像增强器具有更高的光晕亮度,但实际的情况是两种像增强器的光晕亮度基本相同。在杂光方面,GaAs光电阴极具有减反膜,因此杂光较超二代像增强器低,所以三代像增强器的成像更清晰,层次感更好。在带外光谱响应方面,由于超二代像增强器Na₂KSb（Cs）光电阴极的带外光谱响应高于三代像增强器,因此在近红外波段进行辅助照明时,超二代像增强器较三代像增强器成像性能更好。在低照度分辨力方面,具有相同性能参数的超二代和三代像增强器具有相同的低照度分辨力。需要注意的是,这是在标准A光源测试条件下所得出的结论。当实际的环境发射光谱分布与标准A光源发射光谱分布不相同时,两种像增强器的低照度分辨力将会不同。     

一种二维近红外枕形Si基位置敏感探测器研制

建立一种新的Si基位置敏感探测器（PSD）光生电流理论模型,导出了PSD的光生电流、光谱灵敏度的表达式;研究了PSD光敏面各层厚度和SiO2薄膜厚度对PSD波长响应灵敏度的影响,认为p层的厚度主要影响PSD在短波段的响应度,而耗尽层对PSD的中长波响应有着很大的影响;设计并制造了二维近红外枕形PSD,对其进行实际测试,其光谱响应峰值波长为920nm,灵敏度达到0．626A／W。