一种微通道型入射窗及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电探测技术领域，尤其涉及一种微通道型入射窗及其制作方法。
【背景技术】
[0002]光电阴极是光电倍增管、条纹相机以及像增强器等光电探测与成像器件的核心，其作用是将入射的微弱光信号通过阴极材料本身的光电效应转换为可被探测的电信号。为了测量微弱光信号，通常的光电探测器将光电阴极与电子倍增器相结合，将电信号进行倍增放大。
[0003]传统的电子倍增方式主要有两种，一种是打拿极结构；中国专利，专利公开号为CN101924007B，名称为一种光电倍增管，披露该技术，该技术的具体方案是:表面镀有二次电子发射材料，当从光电阴极发出的光电子轰击这些打拿极后，光电子数目会级联倍增，达到放大光电子信号的目的，增益一般可达107，这种电子倍增器尤其在光电倍增管中广泛应用。
[0004]另一种电子倍增器为微通道板，其原理与打拿极电子倍增器原理近似，但具有更简单的结构；中国专利，专利公开号为CN100479086C，名称为一种宽时间分辨率的双微通道板分幅变像管，该专利披露的技术具体是:微通道板是由上百万个微孔结构组成，每个微孔都具有二次电子倍增的功能，增益一般也可达107，这种电子倍增器正在越来越多地被光电倍增管、像增强器等真空光电器件采用。
[0005]打拿极结构体积大，且需要对每个分立电极施加不同的电压，微通道结构结构紧凑，增益高，但是由于通道内二次电子发射材料的发射系数低，导致通道长度长，为获得高增益需在通道板上施加上千伏的电压。在上述两种电子倍增结构中，光电阴极与电子倍增器是分离的，导致光电器件的结构通常非常复杂，制备极其困难，因此器件的性能欠佳，产品价格昂贵，且产品的成品率得不到保证。
[0006]另外，光电阴极光电子发射的微观过程可用“三步模型”解释:第一步，光电阴极吸收入射光子而产生光电子并到达导带;第二步，具有较大动能的光电子在扩散作用下向光电阴极表面输运;第三步，如果光电子仍然具有较大的动能，则可溢出光电阴极表面到达真空。量子效率是衡量光电阴极最主要的指标，可用表达式QE = P1P2P3表示，其中QE为量子效率，P1为入射光子被光电阴极吸收的几率，P2为入射光子转换为光电子并到达光电阴极表面的几率，P3为光电子逃逸出光电阴极表面到达真空的几率。理论计算表明，在波长为400nm入射光的情况下，入射光中约有40 %可被光电阴极吸收，30 %被光电阴极基底反射，30%穿透光电阴极基底与光电阴极而透射出去。而被吸收的入射光中约有50%会产生光电子并溢出光电阴极表面，因此，传统光电阴极的量子效率一般为20%左右。
[0007]目前，提高光电阴极量子效率的方法主要有两种:一种是优化光电阴极的制备工艺，该工艺通过控制阴极的厚度使得阴极可吸收最多的入射光子并转换为光电子逸出阴极表面，或者通过改变制备过程中的工艺参数生成具有最佳化学组分、晶格结构以及表面形貌的光电阴极，提高电子到达阴极表面的输运能(M0PF1081，ProCeedings of IPAC2013)；中国专利，专利号为:CN103715033A和美国专利，专利号为US20100096985A1，披露了另一种方法，该方法是在基底表面首先形成一层氧化物增透膜层，该膜层可极大地提高阴极对入射光的吸收效率从而使阴极的量子效率增加。
[0008]接近半个世纪的实验表明通过改变光电阴极制备工艺来提高量子效率的努力收效甚微;增透膜层的引入尽管能有效提高光量子效率。但仍然存在以下问题:
[0009]由于对光电阴极的发射理论还没有明确的认识，光电阴极材料的物理参数如介电常数、折射率等没有统一的数据参考，因此很难选取合适的增透膜材料；
[0010]光电阴极的厚度对量子效率的影响很大，尤其是透射式光电阴极，需要增透膜层的厚度与光电阴极的厚度严格匹配实现高量子效率，这在现有光电阴极制作工艺中也较难实现；
[0011]绝大多数的光电阴极制备于球形的玻璃壳中，而增透膜的材料通常为难熔的氧化物，如何在大面积球形表面采用电子束蒸发的工艺实现高均匀性的膜层蒸发仍然是一个难题。
【发明内容】
[0012]本发明的目的是提供一种微通道型入射窗及其制作方法，该入射窗兼具光电发射和电子倍增的功能，可有效解决现有光电探测器结构复杂、制备困难、成本高昂的缺点，同时利用入射窗的蜂窝式构造来增大光电阴极的有效面积，提高入射光子被光电阴极吸收的几率，进而提高光电阴极量子效率。
[0013]本发明的具体技术方案如下:
[0014]一种微通道型入射窗，其特征在于:包括入射窗基体，所述入射窗基体为蜂窝式结构，蜂窝式结构包括多个通孔，通孔采用普通光刻和离子束刻蚀或酸法腐蚀工艺形成;入射窗基体表面以及多个通孔内均沉积有光电阴极层。
[0015]上述通孔的截面呈圆形或椭圆或正多边形或梯形或半圆形。
[0016]上述通孔的孔径为2微米至20微米，通孔长度为20微米至800微米，所述蜂窝式结构的全部通孔的开口比大于60 %。
[0017]上述通孔具有6度至30度的倾斜角度。
[0018]上述入射窗基体采用玻璃或蓝宝石或者氟化镁制成。
[0019]上述的光电阴极层包括对X光敏感的金属阴极、或是对紫外光敏感的日盲型阴极、或是对可见光敏感的碱金属阴极、或是可对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极。
[0020]基于上述的微通道型入射窗，先对其制作方法进行描述，包括以下步骤:
[0021 ] 1)将入射窗基体在丙酮、酒精和去离子水中依次进行超声清洗；
[0022]2)采用普通光刻和离子束刻蚀或酸法腐蚀工艺在入射窗基体上制作蜂窝式结构；
[0023]3)对刻蚀成蜂窝式结构的入射窗基体进行高温退火处理后再次清洗；
[0024]4)利用原子层沉积技术在入射窗基体上制备对X光敏感的金属阴极。
[0025]上述步骤4)采用分子束外延技术完成对可见光敏感的碱金属光电阴极层、对紫外光敏感的日盲型光电阴极层以及对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极层的制备。
[0026]上述步骤4)还能采用原子层沉积技术结合分子束外延技术的方式进行对可见光敏感的碱金属光电阴极层、对紫外光敏感的日盲型光电阴极层以及对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极层的制备。
[0027]上述采用分子束外延技术进行光电阴极层制备的的具体参数为:真空室的真空度大于10—6帕；制作碱金属阴极层的温度为150度至240度之间，制作负电子亲和势光电阴极层的温度为30度至160度之间；烘烤温度300度至650度，烘烤时间4小时以上。
[0028]本发明的优点是:
[0029]1.本发明的蜂窝式结构的入射窗与光电阴极层是一个整体，光电阴极层生长于制作有N个通孔的入射窗上，无需额外的装配。
[0030]2.本发明与传统的微通道板相比，本专利直接使用光电阴极层作为二次电子发射材料，其二次电子发射系数比传统微通道板二次电子发射材料的二次电子发射系数高至少2个数量级，因此可产生更高的电子增益。
[0031]3.由于采用了光电阴极层作为二次电子发射材料，所以不需要很严格的孔径与长度的限制就能产生很高的增益，所需的电压也较小，因此结构简单，制备容易，可降低成本。
[0032]4、本发明采用蜂窝式结构增大了光电阴极层的有效面积，提高了光电阴极层对入射光的吸收率，进而提高了光电阴极的量子效率。
[0033]5、本发明可采用原子层沉积技术、分子束外延技术以及两者结合的方式进行光电阴极层的制备，适用性强。
【附图说明】
[0034]图1为微通道型入射窗的截面示意图；
[0035]图2为基于微通道型光电阴极的光电探测器原理示意图；
[0036]图3为微通道型光电阴极制备工艺流程图。
【具体实施方式】
[0037]基于现有技术中光电阴极与电子倍增器是分离的这种方式所带来的光电器件结构非常复杂，制备极其困难，性能欠佳，产品价格昂贵，且产品的成品率得不到保证的问题，本发明提出了一种微通道型入射窗及其制作方法解决了上述问题。
[0038]下面结合附图和实施例对微通道型入射窗及其制作方法做进一步的说明。
[0039]如图1所示，入射窗基体为蜂窝式结构1，蜂窝式结构包括多个通孔2，通孔2采用光刻与刻蚀的制备工艺形成，每个通孔2的孔径R为2微米至20微米，通孔2长度L为20微米至800微米，蜂窝式结构1的全部通孔的开口比大于60%;入射窗基体表面以及多个通孔内均沉积有光电阴极层3。此处需要说明的是:开口比是指在一个横截面下，所有通孔的表面积与入射窗总表面积的比值。
[0040]需要特别说明的是:根据不同的使用要求，通孔2的截面呈圆形或椭圆或正多边形或梯形或半圆形。
[0041 ]为了使入射窗产生的光电子在通孔内与二次电子发射层产生多次碰撞实现电子倍增功能，需将该通孔制作成一定的角度，根据现有微通道板的结构参数，为了实现最大的电子增益，该通孔2具有6度至30度的倾斜角度Θ。
[0042]根据不同的使用要求，入射窗采用玻璃或蓝宝石或者氟化镁制成。
[0043]另外需要重点说明的一点是:该光电阴极层为对X光敏感的金属阴极，如锑光电阴极;或者是对紫外光敏感的日盲型光电阴极，如铯-碲光电阴极;或者是对可见光敏感的碱金属光电阴极，如金属锑与碱金属锂、钠、钾、铯、铷中一种或几种组成的混合物；或者是可对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极，如砷化镓光电阴极层等。
[0044]根据上面对入射窗的结构描述，现对该入射窗的制作方法进行描述:
[0045]步骤1)将入射窗在丙酮、酒精和去离子水中依次进行超声清洗；
[0046]步骤2)采用普通光刻和离子束刻蚀或酸法腐蚀工艺在入射窗上制作蜂窝式结构；
[0047]步骤3)对刻蚀成蜂窝式结构的入射窗进行高温退火处理后再次清洗入射窗；
[0048]步骤4)利用原子层沉积技术在入射窗基体上制备对X光敏感的金属阴极。
[0049]其中，步骤