高量子效率的微通道板型光電倍增管、雙鹼光電陰極及製備方法與流程
2023-06-15 04:45:06 2
本發明涉及光電探測器件領域，具體而言涉及一種高量子效率的微通道板型光電倍增管及其製備方法。
背景技術：
光電倍增管是一種光探測器件，能夠廣泛應用於極微弱光探測、光子探測、化學發光、生物發光等研究領域，具有探測效率高，時間解析度高等特點。光電倍增管作為一種真空器件，主要包括光電陰極、聚焦電極、電子倍增器等組成。光電倍增管的核心部分是光電陰極，其主要性能參數為量子效率(量子效率指光電陰極每接收100個光子所能發射的光電子數)，量子效率越高，光電倍增管的探測效率就越高，信噪比就越好。目前用於可見光波段微弱光探測的光電倍增管普遍使用K2CsSb雙鹼光電陰極。
而高量子效率的光電陰極製備方法與其各種物理特性、結構成分的關係仍然是個難題，特別是對光電陰極的表面結構的認識一直存在爭議，採用現代分析儀器，例如AES、XPS、UPS和ESCA所得到的結論差別也很大。其主要原因是利用不同的製備工藝可以導致不同的表面結構或成分。
光電倍增管的製備主要的方法有光電流監控法和反射率監控法，技術熟練的操作人員可以根據光電流的大小和光電陰極薄膜顏色變化來判斷膜層的生長過程；後者在光電陰極製備和研究中可以得到更多的信息，通過求解折射率、消光係數，可以得到反射率和膜層厚度的關係。無論是光電流監控還是反射率監控的方法，都是針對真空蒸鍍法製備工藝，光電流監控和發射率監控相結合，將更加有利於實現對光電陰極鍍膜過程中關鍵參數的精確控制。
技術實現要素：
本發明目的在於提供一種高量子效率的微通道板型光電倍增管及其製備方法。
本發明的上述目的通過獨立權利要求的技術特徵實現，從屬權利要求以另選或有利的方式發展獨立權利要求的技術特徵。
為達成上述目的，本發明提出一種高量子效率的微通道板型光電倍增管，包括：
玻璃真空容器；
用來探測光信號並產生光電子的雙鹼光電陰極；
用來加速光電陰極發射出來光電子並對其運行軌跡進行校正的聚焦電極；
用來接收聚焦電極匯聚的光電子並產生增殖電子的微通道板型電子倍增極；
用來供電給所述光電陰極、聚焦電極和微通道板型電子倍增器電子倍增極的供電極；
其中，所述光電陰極、聚焦電極、微通道板型電子倍增極置於所述玻璃真空容器內，所述供電極穿過所述玻璃真空容器與外部電路相連。
所述玻璃真空容器是一種透光容器，所述雙鹼光電陰極覆蓋在所述玻璃真空容器內表面上。
所述聚焦電極置於所述玻璃真空容器中心偏下位置，匯聚所述光電陰極產生的光電子。
所述微通道板型電子倍增極電子倍增器置於所述玻璃真空容器中心一定距離以下，接收所述光電陰極產生的光電子並產生增殖電子。
高量子效率的光電倍增管，要求雙鹼光電陰極具有較完整的陰極結構和成分，其製備步驟是：
將已經鍍好反光膜的玻璃真空容器安裝到鐘罩式真空系統中，該系統內部分別設置多個環狀、條狀的鎧裝絲和熱電偶，保證玻璃真空容器頂端、四周和中心位置的溫度均勻性，在玻璃真空容器的正上方的鐘罩安裝石英棒，石英棒一端接觸到玻璃真空容器頂端，另一端連接用於測量反射率的光纖；
在玻璃真空容器下半球內表面上蒸鍍反光膜，從上半球入射的光從會首先被上半球光電陰極吸收，透過的部分會被下半球的反光膜反射回光電陰極進行二次吸收，當光照射在光電陰極上時，光電陰極吸收入射光子並從表面發射出電子，電子會在光電陰極與聚焦電極之間的電場作用下被聚焦電極收集，然後通過微通道板型電子倍增極進行電子增殖，最終在陽極接收並形成光電流信號；
然後將包括鉀源、銫源和銻球的陰極組件伸入到玻璃真空容器中，同時調整銻球在玻璃真空容器中赤道平面偏下的位置；當溫度從大於300℃的烘烤溫度降低到小於100℃溫度時，調節照明燈電流為5.5A，電壓為106V，然後開始進行鉀源、銫源和銻球除氣，電流分別為3.5A、2.0A和0.5A，然後按照0.2A/分鐘的增長速度調整鉀源電流，當到達5.5A時，鉀蒸汽開始析出並吸附在玻璃真空容器內表面上，此時監測的光電流曲線開始上升，當光電流達到峰值保持恆定時，玻璃真空容器內部鉀的含量趨於飽和，整個底鉀蒸鍍過程的反射率保持不變；接著進行鉀與銻同時蒸鍍，保持底鉀電流不變逐漸增加銻球電流，當光電流開始上升並保持斜率在50°～70°之間時，銻球電流約為1.7A，然後按照0.05A/每分鐘的增長速度調整鉀源電流，按照0.1A/每30分鐘增加銻球電流，使光電流維持50°～70°斜率的上升趨勢，此步驟反射率先下降到初始值的95％後開始上升，總時間約為1.5到2小時，此時在玻璃真空容器內表面形成良好的K3Sb光電陰極結構，顏色呈淡紫色；接著將銻球電流增加0.5A，使光電流下降到最大值的一半，增加鉀源電流到7.8A，此時光電流曲線和反射率曲線均開始上升直到反射率曲線上升到底鉀階段的1到2倍左右，關閉銻球電流，此時光電陰極形成了最佳的K3Sb陰極厚度；在保持一段時間後開始進行銫的蒸鍍，初始電流為4.5A，按照0.1A/分鐘增加到7A，光電流繼續上升，此時顏色由淡紫色逐漸轉為黃色，經過1小時後，反射率上升到初始值的1.8倍，即銫原子充分將鉀原子從陰極表面置換形成了K2CsSb光電陰極結構；最後將銫源電流和銻球電流分別設置為4.8A和2.4A，使光電流繼續上升到最大，結束整個製備過程。
最終，通過本發明製備的光電倍增管的量子效率將從20％提高到30％以上。
本發明與現有技術相比，其顯著優點為：
1)本發明的微通道板型光電倍增管，光電陰極、聚焦電極、電子倍增極為軸對稱結構，並且旋轉對稱軸共軸，該結構形成軸對稱聚焦電場，光電陰極各個位置產生的光電子能夠入射到電子倍增極中並進行增殖。
2)本發明的高量子效率光電倍增管的光電陰極製備方法，採用鉀和銻共同蒸鍍的方法，二者反應充分可以使光電陰極結構均勻。
3)本發明的高量子效率光電倍增管的光電陰極製備方法，採用光電流監控，可以有效控制鉀和銻共同蒸鍍過程中二者的比例，從而形成良好的K3Sb結構。
4)本發明的高量子效率光電倍增管的光電陰極製備方法，採用反射率監控，可以有效控制光電陰極蒸鍍過程中的膜層厚度，根據反射率節點進行蒸鍍，有利於降低操作人員主觀判斷導致的差異。
應當理解，前述構思以及在下面更加詳細地描述的額外構思的所有組合只要在這樣的構思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發明主題的一部分。另外，所要求保護的主題的所有組合都被視為本公開的發明主題的一部分。
結合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發明教導的前述和其他方面、實施例和特徵。本發明的其他附加方面例如示例性實施方式的特徵和/或有益效果將在下面的描述中顯見，或通過根據本發明教導的具體實施方式的實踐中得知。
附圖說明
附圖不意在按比例繪製。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同或近似相同的組成部分可以用相同的標號表示。為了清晰起見，在每個圖中，並非每個組成部分均被標記。現在，將通過例子並參考附圖來描述本發明的各個方面的實施例，其中：
圖1是根據本發明的微通道板型光電倍增管的結構圖。
圖2是根據本發明的微通道板型光電倍增管的製備流程圖。
圖3是根據本發明的微通道板型光電倍增管反射率曲線圖。
圖4是根據本發明的微通道板型光電倍增管光電流曲線圖。
具體實施方式
為了更了解本發明的技術內容，特舉具體實施例並配合所附圖式說明如下。
在本公開中參照附圖來描述本發明的各方面，附圖中示出了許多說明的實施例。本公開的實施例不必定意在包括本發明的所有方面。應當理解，上面介紹的多種構思和實施例，以及下面更加詳細地描述的那些構思和實施方式可以以很多方式中任意一種來實施，這是因為本發明所公開的構思和實施例並不限於任何實施方式。另外，本發明公開的一些方面可以單獨使用，或者與本發明公開的其他方面的任何適當組合來使用。
結合圖1所示，根據本發明的實施例，一種微通道板型光電倍增管包括真空玻璃容器1，雙鹼光電陰極2，反光膜3，聚焦電極4，微通道板型電子倍增極5以及供電極6。
本發明的雙鹼光電陰極2，反光膜3，聚焦電極4，電子倍增極5極均置於玻璃真空容器1中。
所述玻璃真空容器1可以為球形或者橢球形，內部保持真空狀態，本實施例以橢球形玻璃真空容器1來詳細說明本發明。
雙鹼光電陰極2，置於所述玻璃真空容器1上半球內表面上、用來接收光子並產生電子。雙鹼光電陰極2的厚度依據具體使用需要而定。
反光膜3，置於所述玻璃真空容器1下半球內表面上。
聚焦電極4，置於所述玻璃密封容器1之內用來收集電子。聚焦電極4上平面位於所述玻璃真空容器1中心赤道偏下位置，可以保證陰極面2不同位置產生的光電子到電子倍增極5的渡越時間差別較小。
微通道板型電子倍增極5，置於所述聚焦電極4後端用來產生增殖電子。電子倍增極5位於所述聚焦電極4正下方，為多片微通道板疊加而成。
電子倍增極5與聚焦電極4之間通過點焊方式固定，所述雙鹼光電陰極2、聚焦電極4、電子倍增極5通過金屬支撐帶進行位置固定並與供電極6連接。
供電極6，置於所述玻璃真空容器1尾部、用來供電給所述雙鹼光電陰極2、聚焦電極4和微通道板型電子倍增極5。
如圖1，雙鹼光電陰極2、聚焦電極4和微通道板型電子倍增極5均置於所述玻璃真空容器內。
電極6穿過所述玻璃真空容器與外部電路相連。
雙鹼光電陰極2、聚焦電極4和微通道板型電子倍增極5均為軸對稱結構，並且旋轉對稱軸共軸。
作為可選的例子，玻璃真空容器1為一球形或者橢球形的低本底容器,直徑大於等於8吋並且小於等於30吋。
玻璃真空容器1下半球內表面設置有由金屬鋁或者金屬銀形成的反光膜3。
雙鹼光電陰極2，由鉀、銫等鹼金屬材料與銻構成的三元化合物半導體膜層，厚度在1nm～1000nm之間。
雙鹼光電陰極2，佔總數70％～100％的電子出射方向與入射光方向一致，並且0～30％的電子出射方向與入射光方向相反。
聚焦電極4為尺寸大於電子倍增極2的金屬擴張型聚焦極結構。
電子倍增極5採用多片微通道板串聯疊加的連接方式，每片微通道板兩端單獨施加電壓在50～1000V之間。微通道板之間採用雲母片隔絕，所述雲母片開有供電子通過的通孔。
根據本公開，結合圖2，還涉及一種微通道板型光電倍增管的製備方法，其中的反光膜和雙鹼光電陰極的製備包括以下步驟：
第一步、在常溫環境下，對所述玻璃真空容器1進行反光膜3的蒸鍍；
第二步、在大於300℃溫度下，對所述玻璃真空容器1進行高溫烘烤除氣；
第三步、在小於100℃溫度下，對鉀源、銫源和銻球進行除氣；
第四步、在小於100℃溫度下，進行底鉀蒸鍍；
第五步、在100℃～250℃溫度之間，進行鉀與銻同時蒸鍍；
第六步、在100℃～250℃溫度之間，進行鉀與銻交替蒸鍍；
第七步、在100℃～200℃溫度之間，進行銫蒸鍍；
第八步、在100℃～200℃溫度之間，進行銫與銻同時蒸鍍；
並且，在前述鉀、銫和銻的蒸鍍過程中，採用光電流與反射率同時監控的方法來控制玻璃真空容器內的雙鹼光電陰極的膜層蒸鍍。
優選地，在所述第一步進行反光膜3蒸鍍時，進行反射率監控，隨著反光膜3厚度增加使其反射率大於70％。
優選地，在所述第二步中，所述玻璃真空容器1周圍的溫度非均勻性小於2％；在大於300℃的溫度下保持8小時以上，同時烘烤的還有鹼金屬源和銻球以及所述聚焦電極4、微通道板電子倍增極。
優選地，所述底鉀蒸鍍之前，調節照明燈電流為5.5A，電壓為106V，鉀源、銫源和銻球分別採用3.5A、2.0A和0.5A的除氣電流。
優選地，在所述第四步中，在3.5A基礎上，按照一定的增長速度調整鉀源電流，使得光電流上升，當光電流達到峰值後進行升溫，光電流再次上升一段後開始下降，保持整個過程中的反射率小幅減小後保持不變。
優選地，在所述第五步，調整鉀源電流和銻球電流，使得光電流繼續保持一定斜率的上升趨勢，該階段的反射率先下降到初始值的95％以下然後開始緩慢上升。
優選地，在所述第六步，將所述第五步的銻球電流增加0.5A，光電流下降到一半大小時關閉銻球電流，然後增加鉀源電流到7.8A，使光電流重新上升到最大值後，關閉鉀源電流，該步驟的反射率曲線需上升到初始值的1.4倍，如果沒有達到，再次重複鉀與銻交替蒸鍍。
優選地，在所述第七步，所述銫蒸鍍的電流初始為4.5A，然後按照一定的增長速度到7A，此時光電流繼續上升，該階段需使反射率上升到初始值的1.8倍為止。
優選地，在所述第八步，保持銫電流和銻球電流分別為4.8A和2.4A，使光電流繼續上升到最大後結束整個製備過程。
根據本公開，我們還更加具體地涉及一種雙鹼光電陰極的製備方法以及由其製備的光電陰極。結合圖2所示，雙鹼光電陰極的製備方法包括：
將已經鍍好反光膜的玻璃真空容器安裝到鐘罩式真空系統中，該系統內部分別設置多個環狀、條狀的鎧裝絲和熱電偶，保證玻璃真空容器頂端、四周和中心位置的溫度均勻性，在玻璃真空容器的正上方的鐘罩安裝石英棒，石英棒一端接觸到玻璃真空容器頂端，另一端連接用於測量反射率的光纖；
然後將包括鉀源、銫源和銻球的陰極組件伸入到玻璃真空容器中，同時調整銻球在玻璃真空容器中赤道平面偏下的位置；
當溫度從大於300℃的烘烤溫度降低到小於100℃溫度時，調節照明燈電流為5.5A，電壓為106V，然後開始進行鉀源、銫源和銻球除氣，電流分別為3.5A、2.0A和0.5A；
然後按照0.2A/分鐘的增長速度調整鉀源電流進行底鉀蒸鍍，當到達5.5A時，鉀蒸汽開始析出並吸附在玻璃真空容器內表面上，此時監測的光電流曲線開始上升，當光電流達到峰值保持恆定時，玻璃真空容器內部鉀的含量趨於飽和，整個底鉀蒸鍍過程的反射率保持不變；
接著進行鉀與銻同時蒸鍍，保持底鉀電流不變逐漸增加銻球電流，當光電流開始上升並保持斜率在50°～70°之間時，銻球電流約為1.7A，然後按照0.05A/每分鐘的增長速度調整鉀源電流，按照0.1A/每30分鐘增加銻球電流，使光電流維持50°～70°斜率的上升趨勢，此步驟反射率先下降到初始值的95％後開始上升，總時間約為1.5到2小時，此時在玻璃真空容器內表面形成良好的K3Sb光電陰極結構，顏色呈淡紫色；
接著將銻球電流增加0.5A，使光電流下降到最大值的一半，增加鉀源電流到7.8A，此時光電流曲線和反射率曲線均開始上升直到反射率曲線上升到底鉀階段的1到2倍左右，關閉銻球電流，此時光電陰極形成了最佳的K3Sb陰極厚度；
在保持一段時間後開始進行銫的蒸鍍，初始電流為4.5A，按照0.1A/分鐘增加到7A，光電流繼續上升，此時顏色由淡紫色逐漸轉為黃色，經過1小時後，反射率上升到初始值的1.8倍，即銫原子充分將鉀原子從陰極表面置換形成了K2CsSb光電陰極結構；
最後將銫源電流和銻球電流分別設置為4.8A和2.4A，使光電流繼續上升到最大，結束整個製備過程。
圖3是根據本發明的微通道板型光電倍增管反射率曲線圖。
圖中，前2小時為玻璃真空容器1高溫烘烤後的自動降溫過程以及所述鉀源、銫源和銻球除氣過程；在第2.2小時開始反射率曲線下降，即為所述底鉀蒸鍍過程；在第3小時，反射率曲線先下降然後緩慢上升，即為所述鉀與銻共同蒸鍍過程；在第4.4小時，反射率曲線上升到最大值然後保持水平，即為所述鉀與銻交替蒸鍍過程；在第5.9小時，反射率從保持水平轉變為快速上升，即為所述進銫蒸鍍過程。
圖4是根據本發明的微通道板型光電倍增管光電流曲線圖。需要注意的是，本實例與圖3反射率曲線是相互獨立的。
圖中，前1.5小時為玻璃真空容器1高溫烘烤後的自動降溫過程以及所述鉀源、銫源和銻球除氣過程，可以看到玻璃真空容器1以及鉀源、銫源和銻球的放氣會導致光電流曲線呈不規則起伏；在第1.5小時，光電流曲線先上升後下降，即為所述底鉀蒸鍍過程；在第2.2小時，光電流曲線呈斜率50°￣70°的上升趨勢，即為所述鉀與銻的共同蒸鍍過程；在第3.7小時，光電流曲線先下降後上升，然後再次下降，即為所述鉀與銻交替蒸鍍過程中，第二次下降過程主要是由於將照明燈改成單色光照明所致；在第5.1小時，光電流曲線呈現逐漸上升的趨勢，即為所述進銫蒸鍍過程；在第7小時，光電流呈現大幅上升趨勢，即為所述銫與銻共同蒸鍍過程。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍當視權利要求書所界定者為準。