專利名稱：一種場助多堿紅外光電陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外光電陰極，尤其涉及的是一種場助多堿紅外光電 陰極。技術(shù)背景現(xiàn)有技術(shù)的紅外光電陰極器件在社會生活特別是軍事裝備中具有重 要的應(yīng)用價(jià)值，但是目前我國還沒有可以作為產(chǎn)品銷售的紅外光電陰極器 件，原因是紅外光電陰極制作難度大、成本高。紅外光電陰極器件是紅外探測器的核心部件，請參見《光夜視技術(shù)的 進(jìn)展與展望》，艾克聰，《應(yīng)用光學(xué)》，Vol,27，No.4, 2006，第304-308頁， 以及，《紅外探測器的進(jìn)展》，朱惜晨，程進(jìn)，《光機(jī)電信息》，No.10,2001， 第30-34頁。以紅外CCD焦平面列陣探測器為典型的固體紅外探測器近年來在軍 事和民用上都得到了廣泛的應(yīng)用。盡管目前這類探測器的信噪比和探測效 率大幅度地提高，由于器件采用的是熱釋電或內(nèi)光電效應(yīng)的原理，因此造 成器件噪聲大、響應(yīng)速度慢的缺陷。而采用外光電效應(yīng)的光電子發(fā)射型紅 外探測器因其具有噪聲低、探測靈敏度高、時(shí)間響應(yīng)快的特點(diǎn)，在激光通 訊、超快現(xiàn)象研究、軍事偵察等方面仍發(fā)揮著不可替代的作用。現(xiàn)有技術(shù)的紅外光電陰極主要包括以下幾種1、銀氧銫光電陰極典型的紅外光語靈敏度可以到1.8um。制備工 藝是通過真空蒸鍍一定厚度的銀層，進(jìn)行氧化處理后再次蒸銀，完成銫激 活；再經(jīng)過高、低溫和敏化處理等階段，形成一個(gè)Ag-O-Cs結(jié)構(gòu)的薄膜。 但是由于銀氧銫光電陰極的制作工藝難度大，器件成品率低，熱發(fā)射大， 穩(wěn)定性差，光電靈敏度隨時(shí)間降低， 一般有效陰極壽命僅在一年左右，使
得銀氧銫光電陰極的應(yīng)用受到了極大的限制。2、 III-V族負(fù)電子親和勢光電陰極利用晶體外延生長技術(shù)，在一定 的晶體襯底上生長一層InGaAs。雖然III-V族負(fù)電子親和勢光電陰極的紅 外響應(yīng)只能到1.2um,但是由于其高的光電靈敏度受到了實(shí)用中的重視， 但是由于制作負(fù)電子親和勢光電陰極對陰極襯底和工藝的要求苛刻，加之 成本高，所以難以實(shí)現(xiàn)。3、 多堿光電陰極(CsNaKSb):多堿光電陰極的響應(yīng)在可見光波段， 其制備工藝是在真空系統(tǒng)中，在一定溫度下通過一定的先后順序，交替蒸 發(fā)堿金屬和銻，最后形成一個(gè)多晶的金屬層。測試結(jié)果表明多堿光電陰 極的紅外響應(yīng)波長一般在900左右截止，而目前大部分的應(yīng)用如激光通 訊、超快現(xiàn)象研究等使用1064nm激光，因此多堿光電陰極無法滿足應(yīng)用 需求。盡管通過紅外延伸工藝可以使得多堿光電陰極對近紅外波段有一定 的響應(yīng)，但目前實(shí)際4支術(shù)成效甚^f敫。4、 紅外上轉(zhuǎn)換屏與可見光陰極耦合的組合陰極參見《一種適于條 紋相機(jī)的新型組合紅外陰極》，范文慧侯洵等，《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》， VoU7， No.6， 1998,第405-410頁，光致上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料能在紅外光激 勵(lì)下發(fā)射可見光，將其制成紅外上轉(zhuǎn)換屏并與可見光光電陰極組合，構(gòu)成 一種組合型式的紅外陰極，使可見光探測器(例如光電倍增管，C C D相機(jī) 等)的應(yīng)用擴(kuò)展到近紅外波段(O 8 ~ 1.6(im)，甚至中紅外波段(3 ~ 5jim)。但是 迄今為止，由于它較低的紅外上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率以及有限的空間分辨率、熒 光背景噪聲及時(shí)間響應(yīng)等一些不確定因素，使其應(yīng)用主要局限在一些非定量的觀測上，仍不能在諸如激光通訊、超快現(xiàn)象研究、軍事裝備等方面實(shí) 現(xiàn)實(shí)用化。總之，到目前為止，我國還沒有紅外光電陰極的生產(chǎn)能力。由于紅外 探測器件在軍事上的重要地位，發(fā)展實(shí)用的紅外光電陰極是紅外研究和應(yīng) 用領(lǐng)域的迫切需要，具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種場助多堿紅外光電陰極，實(shí)現(xiàn)一種低成 本、制作工藝簡單的紅外光電陰極。 本發(fā)明的技術(shù)方案包括一種場助多堿紅外光電陰極，其特征在于，在多堿光電陰極后預(yù)定距 離設(shè)置有一金屬柵網(wǎng)，并通過外接電路施加電壓，以在光電子的出射端面 形成均勻電場；以及所述多堿光電陰極經(jīng)紅外延伸處理，其成4分包括 Na2KSb為80%-90%, K2CsSb為10%-20%。所述的場助多堿紅外光電陰極，其中，所述預(yù)定距離為0.5~10毫米。 所述的場助多堿紅外光電陰極，其中，所述多堿光電陰極的厚度為 160~200納米。本發(fā)明所提供的 一種場助多堿紅外光電陰極，利用成熟的易實(shí)現(xiàn)的、 低成本的多堿光電陰極制作技術(shù)，在現(xiàn)有紅外延伸工藝的基礎(chǔ)上，由于采 用在光電陰極發(fā)射面一定距離內(nèi)形成一個(gè)均勻的外加電場，使可見光多堿 光電陰極對波長至少1064nm的近紅外波段產(chǎn)生光電響應(yīng)，并且其穩(wěn)定性 和噪聲背景均優(yōu)于Ag-O-Cs陰極和組合式光電陰極，其光電靈敏度和時(shí) 間特性均優(yōu)于組合式光電陰極，并且相對III-V族負(fù)電子親和勢光電陰極， 其工藝和設(shè)備簡單、容易實(shí)現(xiàn)，從而獲得了一種實(shí)用的紅外光電陰極，填 補(bǔ)了我國目前真空型實(shí)用紅外光電陰極的空白。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的多堿光電陰極的制作工藝流程示意圖； 圖2為本發(fā)明的紅外光電陰極的第 一 實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的紅外光電陰極的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明的紅外光電陰極的一種實(shí)際應(yīng)用的試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖; 圖5為利用本發(fā)明獲得的紅外激光信號的狹縫像圖； 圖6為利用本發(fā)明測得的紅外皮秒激光脈沖波形。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，將對本發(fā)明的各較佳實(shí)施例進(jìn)行更為詳細(xì)的描述。 本發(fā)明的場助多堿紅外光電陰極裝置，采用現(xiàn)有的多堿陰極制作工藝 制作陰極，其流程如圖l所示。本發(fā)明的紅外光電陰極裝置的結(jié)構(gòu)如圖2 和圖3所示，其包括一多堿光電陰極120,該多堿光電陰極120與電極連 接并緊貼透明輸入窗110，輸入窗110由透光材料制成，并且為實(shí)現(xiàn)感光 要求的不同，可以對輸入窗進(jìn)行鍍膜；所述多堿光電陰極120用于對從輸 入窗IIO射入的光電子進(jìn)行感應(yīng)。本發(fā)明的場助多堿紅外光電陰極，在上述現(xiàn)有技術(shù)工藝制作的多堿光 電陰極后方約0.5~ 10mm距離處還設(shè)置有一與該多堿光電陰極的幾何形 狀一致的金屬柵網(wǎng)130，如圖2所示的為球面陰極和柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖3所 示的為平面陰極和柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在所述金屬柵網(wǎng)上施以外加電壓，并且相對 于多堿光電陰極形成電位差，使得多堿光電陰極在光電子出射端附近形成 一個(gè)外加的均勻電場，該電場具有高的場強(qiáng)。由于^(象管工作電壓的提高， 使光電陰極表面電子親和勢降低，陰極出射的光電子功函數(shù)也降低，因而 改善了光電陰極的紅外響應(yīng)。這個(gè)高場強(qiáng)的附加電場不僅有效地延伸了光 電陰極的紅外響應(yīng)，還減小了光電陰極的光電子初速度彌散，本發(fā)明用于 激光通訊和紅外成像，有效地改善了紅外探測器件的時(shí)間特性和成像質(zhì) 量。本發(fā)明的場助多堿紅外光電陰極裝置，在采用現(xiàn)有的多堿陰極制作工 藝制作陰極的同時(shí)，還須保證多堿光電陰極的化學(xué)成分間的最佳比，如圖 l所示，本發(fā)明多堿紅外光電陰極的生產(chǎn)過程中，在不同溫度條件下使用 不同材料進(jìn)行鍍膜過程，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果，本發(fā)明的場助多堿紅
外光電陰極裝置的多堿光電陰極經(jīng)紅外延伸處理，做到Na2KSb的成分為 主體，約85%左右，而K2CsSb成分則應(yīng)當(dāng)少的多，約15%。其次，要使 光電陰極具有最佳的紅外響應(yīng)，還要保證多堿光電陰極最佳的薄膜厚度， 本發(fā)明所述多堿光電陰極的薄膜厚度取160 200nm左右。以下描述本發(fā)明應(yīng)用于紅外超快現(xiàn)象診斷的實(shí)施例，如圖4所示為皮秒變像管掃描相機(jī)中進(jìn)行紅外信號的成像和時(shí)間特性檢測裝置。其中，光 源是一臺主被動鎖模N d:Y AG激光器210,激光器輸出波長(人)為 1064nm，脈寬為約80皮秒的超短激光脈沖。標(biāo)準(zhǔn)具220的作用是提供一個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間刻度，當(dāng)一個(gè)單脈沖入射時(shí),從標(biāo)準(zhǔn)具220上反射出一串時(shí)間 間隔相等、能量等比衰減的脈沖序列。脈沖間隔時(shí)間由標(biāo)準(zhǔn)具的厚度(d)、 玻璃折射率(n)和光速(c)確定(At-2nd/c)。激光器210輸出的紅外光經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)具220后入射在掃描相機(jī)230前的光 電陰極上，該光電陰極即采用的是本發(fā)明的場助多堿紅外光電陰極裝置， 該光電陰極將紅外信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光電子脈沖，光電子脈沖轟擊熒光屏 即可產(chǎn)生可見光圖象，經(jīng)掃描相機(jī)CCD讀出并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的 數(shù)據(jù)分析。工作時(shí)，通過PIN的光電信號觸發(fā)掃描相機(jī)的掃描電路，通 過電脈沖掃描即可使時(shí)間信號轉(zhuǎn)換成 一 維的空間信號。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖5采用場助多堿紅外光電陰極對1064nm紅外激光信 號進(jìn)行了成像和時(shí)間測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示，本發(fā)明場助多堿 紅外光電陰極裝置利用傳統(tǒng)通用的可見光多堿光電陰極制作技術(shù)，通過對 紅外波段的適當(dāng)延伸，并在光電陰極發(fā)射面外加電場，可以實(shí)現(xiàn)對波長至 少1064nm的近紅外波段的信號探測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該場助多堿紅外光電 陰極可以替代現(xiàn)有的紅外光電陰極對紅外光電信號進(jìn)行有效地探測。綜上，本發(fā)明場助式多堿紅外光電陰極的制備工藝現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)成 熟，易于實(shí)現(xiàn)，并且相對于其它方案其制作成本低。本發(fā)明場助式多堿紅 外光電陰極在至少在1064nm處有很好的紅外響應(yīng)，并且穩(wěn)定性和噪聲背 景均優(yōu)于Ag-O-Cs陰極，其光電靈敏度和時(shí)間特性均優(yōu)于組合式光電陰 極。并且相對III-V族負(fù)電子親和勢光電陰極，其工藝和設(shè)備簡單、，容易實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明場助式多堿紅外光電陰極用于超快紅外信號探測和紅外成像 器件中，填補(bǔ)了我國目前真空型實(shí)用紅外光電陰極的空白。應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對具體實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，顯然不能因此 而認(rèn)為是對本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)以所附 權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種場助多堿紅外光電陰極，其特征在于，在多堿光電陰極后預(yù)定距離設(shè)置有一金屬柵網(wǎng)，并通過外接電路施加電壓，以在光電子的出射端面形成均勻電場；所述多堿光電陰極經(jīng)紅外延伸處理，其成份包括Na2KSb為80％-90％，K2CsSb為10％-20％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的場助多堿紅外光電陰極，其特征在于，所 述預(yù)定距離為0.5-10毫米。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的場助多堿紅外光電陰極，其特征在于，所 述多堿光電陰極的厚度為160~200納米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種場助多堿紅外光電陰極，在多堿光電陰極后預(yù)定距離設(shè)置有一金屬柵網(wǎng)，并通過外接電路施加電壓，以在光電子的出射端面形成均勻電場；所述多堿光電陰極經(jīng)紅外延伸處理，其成分包括Na₂KSb為80％-90％，K₂CsSb為10％-20％。本發(fā)明裝置由于采用在光電陰極發(fā)射面一定距離內(nèi)形成一個(gè)均勻的外加電場，使可見光多堿光電陰極對波長至少1064nm的近紅外波段產(chǎn)生光電響應(yīng)，并且其穩(wěn)定性和噪聲背景均優(yōu)于Ag-O-Cs陰極，其光電靈敏度和時(shí)間特性均優(yōu)于組合式光電陰極，并且相對Ⅲ-Ⅴ族負(fù)電子親和勢光電陰極，其工藝和設(shè)備簡單、容易實(shí)現(xiàn)，從而獲得了一種可產(chǎn)品化的紅外光電陰極，填補(bǔ)了我國目前真空型實(shí)用紅外光電陰極的空白。
文檔編號H01J1/02GK101159209SQ200610063499
公開日2008年4月9日 申請日期2006年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月1日
發(fā)明者張煥文, 楊勤勞, 牛麗紅, 牛憨笨 申請人:深圳大學(xué)