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光阴极技术
1.光电倍增管(PMT)基本原理

光电倍增管是一种真空管,由光入射窗、光电发射表面(光阴极)、电子倍增器和阳极组成,它们组合成如图1(a)所示的密封的容器。当光射入窗口,光电子从光阴极发射,然后被加速和聚集,击打到第一电极上(倍增极),在倍增极电子通过二次发射发生倍增。二次发射在每个后续的倍增极上重复,导致阳极接收到的电子团倍增106 到 107倍,甚至更多。


图1(a):PMT(端窗型)截面图
图1(b):侧窗型PMT
   

侧窗型光电倍增管通常相对有较高增益,广泛应用于分光光度计和一般光度计量系统。

图1(c):端窗型PMT
   

端窗型光电倍增管在光入射窗内表面直接形成光阴极,由于闪烁体可以方便地耦合到光入射窗上,因此经常用于辐射测量。

2.光阴极
2-1.碱性光阴极

图3:Alfred H. Sommer博士(左)在1984年10月25
来访滨松公司。右边是Teruo Hiruma,滨松公司主席。

与其他光探测器相比,光电倍增管由于使用低噪声电子倍增器,具有优异的表现特性。为了利用这个特性,获得更高的灵敏度,光电子发射表面(光阴极)的量子效率必须要进一步提高。图2显示了量子效率和目前使用的典型光阴极的波长之间的关系。运用1951年Sommer(美国)发现的处理工艺,通过使一层Sb(antimony 锑)和Na、K、Cs 发生反应,制造了多碱光阴极(图3 左)。这种光阴极在紫外到850nm的宽光谱范围内都很灵敏,被用在分光光度计和生物与基因相关领域的荧光测量上。

双碱阴极是通过使一层Sb和K、Cs反应制造出来的,在400nm附近有着高灵敏性。使用这种双碱光阴极的PMT被广泛应用于闪烁计数的辐射测量,因为这种光谱响应特性和NaI闪烁体的发射波长很相配。顺便提一下,这种双碱光阴极也是Sommer在1963年发明的。

Sommer这个发现之后,这两种光阴极有了很大提高,使得它们成为今天最广泛使用的PMT光阴极。光阴极的运作使用能带模型来描述。这个工作已经提高了NEA半导体晶体光阴极和高灵敏度双碱光阴极的性能,打开了增强光阴极灵敏度和延伸光谱响应范围的道路。


图2:不同光阴极量子效率与波长关系曲线
量子效率(简写为QE)是光阴极发射的光电子数除以入射光子数,通常用百分比表示。
2-2.光阴极能带模型

图4:碱阴极能带模型

因为光阴极是一种半导体,因此其运作可以用能带理论来描述,能带理论中有能量带隙( )、电子亲和势( )、费米能级( )、功函数( )等术语。图4显示了一种碱阴极能带模型。当一个光子击打光阴极,价带中的电子吸收光子能量( ),被激发到导带,往光阴极表面扩散。如果这些电子的能量超过了真空势垒,那么他们就被发射到真空中。该电子发射过程被W.E. Spicer 用下式表达。


:反射系数
:光子全光学吸收系数
:电子被激发到高于真空能级的能级时的吸收系数
:电子扩散的长度
:电子逃逸到真空中的可能性
:光频率

这叫做Spicer的三步模型,用三步解释了光电子发射过程:光吸收过程、电子扩散过程、逸出过程。应用这个表达式,可以通过增加扩散长度L来增强光阴极的晶体性质,还可以通过增加Ps来降低电子亲和势,来提高量子效率。

2-3.高灵敏度碱光阴极

图5:UBA、SBA和标准双碱阴极的QE曲线

2007年,滨松公司通过提高光阴极的活化过程成功地极大地增强了碱阴极的量子效率。该光阴极中,达到了350nm峰值波长处平均量子效率为43%水平,并被命名为超级双碱(ultra bialkali),简称UBA。除了超级双碱,我们还研发了另一种灵敏度适中的光阴极,名为“高级双碱”,简称SBA,其在350nm波长处的平均量子效率为35%。图5显示了UBA、SBA和普通双碱光阴极的典型光谱响应特性。

2-4. 结晶光阴极的发展

除了在碱性锑化物光阴极上的提升,是研究人员在研发例如GaAs(砷化镓)等的半导体晶体光阴极上也很活跃。这项研究发现,经铯氧化物(Cs-O)活化处理的半导体晶体表面形成电双层铯氧化物,会到导致表面的能带曲线向下弯曲,因此电子亲和势有一个负值。这种光阴极被称为NEA(negative electron affinity 负电子亲和势)光阴极。图6显示了一种被Cs-O活化后的单晶体GaAS的能带模型。由于NEA允许在导带底部的电子逸出,它的灵敏度可扩展到电子带隙对应的900nm。

由能带模型推断,能量带隙较高的半导体会有较大的NEA。所以随着GaAs光阴极的研发,对GaAsP光阴极的研发开始了。图7显示了GaAsP 的能带模型。目前,GaAsP光阴极的峰值量子效率在相关领域的实际应用中可以超过50%。

 
图6:GaAs光阴极的能带模型
 
图7:GaAsP光阴极的能带模型
2-5. 近红外光阴极

为了在波长超过1.1um的波段获得足够的灵敏度,研发了InP/InGaAs转移电子光阴极。这种光阴极通过在半导体晶体表面堆积一层金属(比如银)膜(大概50埃厚度),来形成一个肖特基结。在肖特基电极和半导体晶体背面加偏置电压,在光阴极中形成一个电场。这大大的降低了表面势垒,使光电子加速,并把光电子发射到真空中。图8(a)和(b)显示了异质结场联合光阴极的光电子发射能带模型。当不加偏置电压时,由于InGaAs光吸收层对InP电子发射层的导带势垒ΔEc,在吸收层被激发的光电子不能够到达发射表面,如图8(a)所示。然而,当施加某个偏置电压时,在银肖特基电极和光阴极内部形成耗尽层,耗尽层最终到达InGaAs光吸收层和InP电子发射层之间的界面,因此在吸收层被激发的电子可以跨越势垒到达InP电子发射层。此外,光电子在InP电子发射层内被加速,使得其从导带底部Γ到更高能级带L,并且在维持高能级的情况下从发射表面被发射到真空中。

这种光阴极涵盖了很宽的光谱范围,从紫外的300nm到近红外的1600nm,与InGaAs的带隙相对应。整个光谱响应范围内几乎可以获得平滑的2%的量子效率。

 
图8 (a):InP/InGaAs光阴极的能带模型
 
图8 (b): 施加偏置电压的InP/InGaAs光阴极能带模型
2-6. 适用于低温下操作的光阴极

近期“暗物质”在天体物理学研究中是一个热门话题。有人曾建议利用光电倍增管来捕获微弱的紫外光子来探测暗物质。这些光子是由于偶然的暗物质和闪烁原子碰撞而发射出来的。液态氙(-108℃)或者液态氩(-186 ℃)被用作闪烁体。在如此低温下,光阴极的表面电阻变得很大,引起光阴极电流受限。某些实验下这个可能的线性扭曲可能非常关键。滨松光子已经研发了新型光阴极,即使在如此低温下也可以运行。

传统的在低温下运行的光阴极在阴极底部有一层铝。图9显示了传统带铝的光阴极和新型低温光阴极的典型光谱响应特性。新型光阴极在420nm的量子效率大概为28%,虽然比SBA光阴极略低,但是比传统光阴极高1.5倍。图10显示比较了传统带铝的光阴极和新型低温光阴极的线性度。当在-100°C下工作时,传统光阴极的输出线性度在大概0.5nA时开始急速下降,而新型光阴极在1uA时依然保持线性度,这里,线性度定义为输出电流偏离初始值-5%时的电流。

 
图9:新型双碱光阴极的光谱响应特性
 
图10:-100°C下工作的线性度比较
2-7. 适用于高温操作的光阴极

在油井勘探记录过程中,为了定位油或者天然气存储的位置,探测探针需要进入钻孔深达地下2000米(70°C)到3000米(105°C)。这就需要开发能够抵御更高温度的探测器,不仅是因为在钻孔位置安装探测器是很困难的,而且是因为为了找到新的油层,钻井的深度会越来越深。光电倍增管的光阴极在油井勘探的高温下会逐渐溶解,然而,利用Sb-K-Na混合制造的光阴极可以抵御这样的高温。最近,滨松开发了一款可以在200°C下工作超过1000小时的新型光阴极。该光阴极在室温下也有很低的暗电流,是低光量探测和其他需要低噪声应用的理想选择。

图11比较了传统高温光阴极和新开发高温光阴极的输出波动。可以发现,新型光阴极在高温下的工作寿命是传统光阴极的大约8倍。


图11: 200°C高温环境下的输出波动
2-8.紫外光阴极

图12:GaN光阴极(380 nm处量子效率为21.5% )
与Cs-Te光阴极的光谱响应特性对比

运用氮化镓半导体,我公司最近成功生产了世界上首只实用的、传输模式?的紫外光阴极。氮化镓通常是通过在蓝宝石基底上外延生长形成的。然而,近期开发的运用硅基底的氮化镓生长技术使得高质量外延薄膜在硅基底上生长成为可能。利用该项技术,我公司开发了硅基底上经缓冲层外延生长形成氮化镓的技术,使得氮化镓晶体外延生长附着于玻璃窗,经处理后只留下氮化镓薄膜。我们还使用一种光学清理方法,利用光来清理晶体表面。该高技术获得了令人满意的量子效率,在波长为280nm处的量子效率为21.5%。图12显示了GaN光阴极和传统Cs-Te光阴极的典型光谱响应特性。

GaN光阴极目前被用于紫外图像增强器,可以进行低光量探测和包括半导体晶片检测、雷曼光谱仪、高压输电线电量放电检测等技术在内的快速多通道(二维)测量。

总结

光电倍增管正在变得越来越复杂,尽管它的部分工作被半导体探测器取代,其创新技术的开发却激发了对它的需求。光电倍增管依然被广泛使用着,比如高能物理实验的低光量探测、医学设备、生物技术相关设备、油井探测设备以及天文观察设备等。这些应用需要更高的量子效率、更宽的光谱响应范围(延伸到红外区域)以及紫外区域更高的灵敏度。为了满足这些特殊要求,滨松光子将会继续研发更宽光谱响应范围、更高灵敏度的光电倍增管(QE=100%)。