一种通过光反射率测量多碱光电阴极膜厚度的光路系统的制作方法

本发明涉及多碱光电阴极膜厚测量领域，具体涉及一种通过光反射率测量多碱光电阴极膜厚度的光路系统，尤其是在多碱光电阴极制备过程中、在高温环境下阴极膜厚度测量的光反射率测量的光路系统。

背景技术：

1、多碱光电阴极具有真空度要求低、制造工艺简单等突出优点，在光电倍增管、微光像增强器等器件中得到广泛的应用，作为微光像增强器的核心组成部件，其性能直接影响像增强器的综合性能指标。

2、根据光电发射理论，多碱阴极膜的厚度影响着光电发射的吸收过程和扩散过程，其数值大小直接制约着阴极的灵敏度。作为膜厚测量的重要方法之一的反射率测量法，被广泛应用于光电阴极的制备中，例如：

3、2013年，南京理工大学的常本康教授提出了一种通过监控反射率和光电流制备k2cssb光阴极的方法[1]。2017年，北方夜视科技(南京)研究院提出一种通过反射率指导k2cssb光阴极的制备方法[2]。2020年，南京理工大学的康天佑提出了一种运用在大面积mcp-pmt中的k2cssb光阴极自动制备技术[3]。其硬件系统由三通道反射率监控装置、智能光电流计以及单色光源组成，通过软件实现反射率监控自动控制以及各设备间的数据通信，该设备的重复性优于10％。

4、但是，目前的反射率测量法的应用温度及真空度要求方面均与像增强器多碱阴极制备环境相差较大，其制备工艺也与多碱阴极制备工艺具有较大的差异，无法直接应用。

5、为此，针对多碱阴极制备过程中的多碱光电阴极膜层厚度测量方法得到了广泛关注与应用，例如：

6、文献“超二代微光像增强器多碱光电阴极膜厚测量研究”[4]测量了多碱阴极的光谱反射率曲线，并通过光谱反射率曲线对多碱光电阴极膜厚测量进行了研究。

7、cn103575221a公开了一种多碱光电阴极膜层厚度的测量系统，主要用于微光像增强器在真空状态下对其多碱光电阴极膜层厚度的测量。

8、cn101393837a公开了一种纳秒响应微光像增强器的光电阴极及其制作方法，该方法需要在制备光电发射层的工艺中，采用先蒸镀一层30nm后的k膜，以便于光电流监控仪在光电发射层制备过程中对各阶段膜厚的监控，增加了工艺的复杂性。

9、上述有关参考文献或者专利公开信息，仅仅从原理和结构上对多碱光电阴极膜厚测量进行了分析与改进，一方面未提到多碱光电阴极制备过程中，特别是高温工作环境中采用何种器件进行设计；另一方面，多碱光电阴极膜厚测量还需要适应当前的生产工艺，而目前生产工艺要求入射光需要经过排气车-排气台外-烘箱罩-真空腔体外-真空腔体-阴极-真空腔体-真空腔体外-烘箱罩-排气台外-排气车的流程，从而转为反射光被探测器所探测到。在整个光传输链路中，除真空腔体外-真空腔体-阴极-真空腔体-真空腔体外这一链路涉及真空贯穿外，无法在使用时进行加装，其余链路可在进行阴极制备时加装，需要进行一体化的设计，因此目前现有的方法和方案无法实施，需要进行重新研究与设计。

10、在多碱光电阴极制备过程中，工作时气的最高温超过400℃，而阴极制备时腔体内真空度需要维持在10-8～10-9mbar量级(10-6～10-7pa)，在此情况下，可耐400℃高温和10-9mbar真空度的传光光纤及真空光纤连接器成为阴极反射率信号测量的重点。作为光反射传播媒介的传光光纤通常为多模光纤，其耐受温度主要受光纤材质和光纤粘合胶水的温度上限影响，在目前条件下，很难突破350℃的温度上限。因此在多碱光电阴极制备的高温工作环境下，只能采用熔点在1730℃的石英玻棒作为光传输部件，并采用复用结构，石英玻棒既作为入射光传输部件，也作为反射光传输部件。采用光传输部件复用技术，整体光路中所收集到的反射光强度非常微弱，且为避免反射率测试入射光对阴极造成损伤，无法通过增强入射光的方式提高反射光强度；另一方面由于端面反射、阴极激活用灯照射、碱源通电发光等因素影响，膜厚监控装置探测器所收集到光信号组成非常复杂，部分非目标光信号强度甚至超过阴极反射光强度。

11、参考文献:

12、[1]常本康.大面积mcp-pmt k2cssb光电阴极理论与测控技术研究[j].红外技术,2013,35(8)；

13、[2]孙建宁,司曙光,王兴超,等.一种利用反射率理论模型指导k2cssb光电阴极的制备方法[j].红外技术,2017,39(12):5；

14、[3]康天佑,任玲,张锴珉,等.立方k2cssb,k3sb和cs3sb阴极材料的电子结构和光学性质[j].光子学报,2020,49(1):8；

15、[4]李晓峰,陆强,李莉,等.超二代微光像增强器多碱光电阴极膜厚测量研究[j].光子学报,2012。

技术实现思路

1、本发明主要针对上述问题，提供一种通过光反射率测量多碱光电阴极膜厚度的光路系统，本发明是在高温工作环境下对复用式光反射率测量的光路。

2、在多碱光电阴极制备过程中，由于工艺结构限制，光反射率测量的光路系统采用复用结构形式，同时由于系统工作于最高温度超过400℃的高温工作环境下，作为常用光传输媒介的多模光纤很难达到上述温度，因此采用熔点更为高的石英玻璃作为光传输部件，但在实际应用中，存在如下问题需要解决：

3、(1)测量光路系统采用复用结构形式，石英玻棒既作为入射光传输部件，也作为反射光传输部件。采用光传输部件复用技术，整体光路中所收集到的反射光强度非常微弱，且为避免反射率测试入射光对阴极造成损伤，无法通过增强入射光的方式提高反射光强度。为此，本发明采用数字伪随机码调试的方式，将入射光转变为调制光，增强接收信号的信噪比，以提高系统的测量精度，扩大系统的适用范围；

4、(2)测量光路系统中光接收探测器所收集到的光信号组成十分复杂，受着端面反射、阴极激活用灯照射、碱源通电发光等方面的影响，受到端面反射、阴极激活用灯照射、碱源通电发光等因素影响，部分非目标光信号强度甚至超过阴极反射光强度。为此，本发明采用过采样技术，以减少干扰信号对测量信号的影响。

5、本发明的技术方案为：

6、本发明的通过光反射率测量多碱光电阴极膜厚度的光路系统，包括伪随机码产生模组、光源强度调制输出模组、激光器光源、光纤、石英玻棒、多碱光电阴极膜、光敏传感器、过采样与预处理模组及信号处理与计算模组。

7、所述伪随机码产生模组与光源强度调制输出模组连接并为光源强度调制输出模组提供伪随机码，由于整体光路中所收集到的反射光强度非常微弱，且为避免反射率测试入射光对阴极造成损伤，无法通过增强入射光的方式提高反射光强度。为此，采用数字伪随机码调试的方式，将入射光转变为调制光，增强接收信号的信噪比，以提高系统的测量精度，扩大系统的适用范围。根据不同的应用场景和信噪比条件，产生不同的伪随机码。

8、所述光源强度调制输出模组与激光器光源输入端连接，激光器光源输出端与光纤连接，根据对应的伪随机码模组所产生的对输出光源强度进行调制输出，将输出光由直流信号变换为交流信号，并附加一直流偏置电压，在光源驱动器允许工作范围内，尽量增加发射光的强度，提高信号的信噪比，以增强系统信号检测能力。

9、所述光纤与石英棒相连接，采用数字伪随机码调试的方式，将入射光转变为调制光，然后通过光纤传输至石英棒中，经过石英棒的调制光传递到多碱光阴极膜上，多碱光阴极膜的反射光、端面的反射光等各类光，通过石英棒传输至与之相连接的光纤中，光纤中的反射光信号传输至过采样和预处理模块。

10、所述光敏传感器输入端与光纤连接，光敏传感器输出端与过采样与预处理模组连接，用于对多碱光电阴极膜的反射光进行采样；根据伪随机码产生模组产生的伪随机码，生成多项式和采样速率，具体地讲，在信噪比越低的应用场景下，适宜采用增加伪随机码长度或采用更加高的采样速率，对采样的信号进行相关性分析处理，将处理后的数据传输至信号处理与计算模组。

11、所述信号处理与计算模组将过采样与预处理模组的预处理数据进行计算得到反射率的计算指标。

12、进一步地，根据系统应用场景，所述伪随机码产生模组选择合适的伪随机码生成多项式g(x)，其中多项式对应的最高阶次为n，多项式各阶次多项式系数为gk(k＝0，1，...，n)，则多项式可以表述为如式(1)所示：

13、g(x)＝gnxn+gn-1xn-1+...+g1x+g0      (1)

14、经过调制后的光源通过光纤和石英棒传播，到达阴极膜层后，将光源反射光传输至过采样与预处理模组，同时由于受到端面反射、阴极激活用灯照射、碱源通电发光等因素影响，所产生的干扰光也传输至过采样与预处理模组，这样达到过采样与预处理模组输入端的信号包含了阴极层膜的反射光和干扰光，设置不同的采样率，并通过伪随机码解调，对接收信号进行互相关vxcorr计算，公式如式(2)所示，其中y(n)表示到达过采样与预处理模组端的接收信号，包含有效反射光信号和干扰光信号，x(n)表示不同采样率条件下的参考信号。

15、

16、经过模数转换的数据，然后传输至数据预处理进行相关性分析，并进行解调。

17、相关解调后的信号传输至信号处理与计算模组，根据系统设计要求，进行相关参数与指标的处理与计算。

18、本发明的工作流程为：

19、根据系统应用场景，设计对应的伪随机码序列，并将产生的伪随机码序列驱动光源调制子系统，将光源由直流信号转换为交流信号，调制后的光通过光纤和石英棒进行传输，在传输过程中，光源受到端面反射、阴极激活用灯照射、碱源通电发光等因素影响，经过阴极膜层反射的光源与其他干扰光源传输至过采样与预处理模组，通过模数转换器，按照一定的采样速率，将模拟光信号转换为数字信号，通过对信号相关性检测等信号预处理，并将预处理后的数据进行解调后传输至信号处理与计算模组，利用现有技术计算光反射率及膜厚度。

20、本发明的有益效果是：

21、本发明可适用于400℃高温的多碱光电阴极制备过程工作环境中。由于采用光传输部件复用技术，整体光路中所收集到的反射光强度非常微弱，同时在光传输过程中，又受到端面反射、阴极激活用灯照射、碱源通电发光等因素影响，为了提高系统的信噪比，减少干扰信号的影响。本发明利用伪随机码光源调制技术和过采样技术，并利用数字信号处理的方式，对光信号进行相关性分析并解调，分离有用信号和干扰信号与噪声信号，提高指标计算的准确度和精确度。除此以外，采用系统采用了数字技术，系统可以在不改变硬件系统的条件下，灵活更新不同的伪随机序列和采样率等参数，以适应不同的应用环境，拓展系统的应用场景。