微结构增强反射式光阴极的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电技术，尤其涉及一种微结构增强反射式光阴极的制备方法。
【背景技术】
[0002]光阴极是一种光电转换器件，由带负电的基底电极和其上沉积的层状光电发射材料构成。当光射入光电发射材料中，光子能量激发光电子并从材料表面发射，在电极电场作用下，携带入射光信息的光电子被阳极收集并转变为电信号。光阴极是变像管、摄像管、辐射探测器等设备的核心元器件，在高能量密度物理研究、微弱信号探测和微光成像等领域有重要的应用。
[0003]现有的光电阴极按结构分为平面光阴极和结构增强光阴极。传统的平面光阴极由沉积在平面基底上的光电发射层构成，具有性能稳定、光电发射均匀、制备工艺简单等优点，但在对入射光的利用率上存在不足，光电转换效率较低，对微弱光的探测能力弱。近年出现的结构增强光阴极技术从提高入射光利用率和转换效率等因素出发考虑，将光阴极发射层制备为特殊的微结构，以提高相应波段的光电子产额。
[0004]但是，现有的各种公知的结构增强光阴极技术存在不足，难以满足某些特定用途的要求。对于空间分辨的光探测系统，需要精确控制光阴极表面微结构形貌，避免不稳定的场致发射现象，并要求在空间上保持光阴极光电发射的一致性。而现有公知的结构增强光阴极技术精确控制微结构形貌的难度大，光电发射的均匀性和稳定性难以保证，并且工艺复杂、成本较高。2014年《Review of Scientific Instruments》上发表的文章《Highquantum efficiency photocathode simulat1n for the investigat1n of novelstructured designs》提出了一种倒圆锥后凹式微结构光阴极的理论设计，采用软件模拟结果表明该种结构的光阴极能够大幅的提高探测效率，但该文章仅仅从理论层面对这种光阴极进行了分析，其实际的制备方法和技术尚未实现。
【发明内容】
[0005]本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种新型的微结构增强反射式光阴极的制备方法。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案:一种微结构增强反射式光阴极的制备方法，包括以下步骤:
[0007]步骤一，提供一个微通道板，该微通道板由皮玻璃和芯玻璃构成，其中的皮玻璃是可被HF腐蚀而不被HNO3腐蚀的玻璃，芯玻璃是既可被HF腐蚀而又可被HNO 3腐蚀的玻璃；
[0008]步骤二，将微通道板的一面浸入HF溶液中，皮玻璃和芯玻璃交界处的一部分皮玻璃和芯玻璃被腐蚀，并在皮玻璃上形成锥壁；
[0009]步骤三，将步骤二处理过的微通道板清洗后，将同一面浸入HNO3溶液中进行处理，芯玻璃的一部分被腐蚀形成平面锥底；
[0010]步骤四，将步骤三处理过的微通道板清洗后浸入NaOH溶液中进行表面微处理；
[0011]步骤五，将步骤三处理过的微通道板去除表面损伤层，烘干后获得具有密排倒圆锥后凹式微结构阵列的微结构增强基底；
[0012]步骤六，采用物理气相沉积法在微结构基底表面镀制一层电极层；
[0013]步骤七，采用物理气相沉积法在电极层上镀制一层光电发射层。
[0014]步骤二所述HF溶液质量浓度为0.1 %?1.5%，处理温度为25°C ±2°C，处理时间为 30s ?200s。
[0015]步骤三所述HNO3溶液浓度为0.2mol/L?1.5mol/L,处理温度为25°C ±2°C，处理时间为60s?600s。
[0016]步骤四所述NaOH溶液质量浓度为2 %?8 %，处理温度为25 °C ± 2 °C，处理时间为120s ?400so
[0017]所述的物理气相沉积法为磁控溅射、真空热蒸发或电子束蒸发法。
[0018]构成电极层的材料为与微结构增强基底附着性好的Cr、Ni或Cu，电极层厚度为100_300nmo
[0019]构成光电发射层的材料为对X射线具有高光电转换效率的Au或Csl，光电发射层厚度为 300-600nm。
[0020]本发明提出的一种微结构增强反射式光阴极的制备方法，实现了倒圆锥后凹式微结构阵列的制备，具有以下优点:
[0021]1、光阴极对相应波段的量子效率和对微弱信号的探测能力大幅度提高；
[0022]2、倒圆锥后凹式微结构阵列在宏观空间尺度上一致性和稳定性好，使光阴极在较大尺度上光电发射均匀性好，适用于空间分辨的大尺度光电发射面应用；
[0023]3、表面微结构形貌易于控制，能有效避免局部场致发射，光电发射层厚度一致，在微观尺度上光电发射均匀好；
[0024]4、工艺流程简单、成本低廉。
【附图说明】
[0025]图1是本发明提供的微结构增强反射式光阴极的结构示意图；
[0026]图2、图3、图4、图5、图6为本发明制备方法的步骤示意图；
[0027]图中所示:1、皮玻璃；2、芯玻璃；3、锥壁；4、锥底；5、电极层；6、光电发射层；7、倒圆锥后凹式微结构。
【具体实施方式】
[0028]本实施例介绍一种针对入射光波段为X射线的微结构增强反射式光阴极制备方法。参见图1，微结构增强基底由皮玻璃I和芯玻璃2构成的微通道板制成；微结构增强基底的微结构由倒圆锥后凹式微结构7形成的密排阵列构成；锥壁3由皮玻璃构成，锥底4由芯玻璃构成；电极层5为Cr金属层；光电发射层6为对X射线具有高光电转换效率的CsI层。
[0029]本发明制备方法的步骤是，提供一个微通道板，该微通道板由皮玻璃I和芯玻璃2构成，如图2所示；其中的皮玻璃是可被HF腐蚀而不被HNO3腐蚀的玻璃，芯玻璃是既可被HF腐蚀而又可被HNO3腐蚀的玻璃。
[0030]将经切片、抛磨、倒角等工序后的微通道板经丙酮、酒精、去离子水依次清洗去除表面污染，将微通道板的一面浸入HF溶液中，HF溶液对微通道板表面和皮芯玻璃交界面进行微腐蚀，HF溶液质量浓度为0.2%，处理温度为25°C ±2°C，处理时间为40s，皮玻璃材料在腐蚀液作用下形成倒圆锥后凹式微结构的锥壁3，如图3所示。
[0031]采用去离子水清洗微通道板，将微通道板的同一面浸入HNO3溶液中进行部分去芯处理，圆03溶液浓度为0.5mol/L，处理温度为25°C ±2°C，处理时间为100s，芯玻璃在腐蚀液作用下形成倒圆锥后凹式微结构的锥底4，如图4所示。
[0032]采用去离子水清洗微通道板，将微通道板一面浸入NaOH溶液中进行表面微处理，NaOH溶液质量浓度为4%，处理温度为25°C ±2°C，处理时间为200s。
[0033]将微通道板在去离子水中超声震荡以去除表面损伤层，再烘干获得微结构基底。
[0034]采用磁控溅射在微结构基底表面镀制Cr电极层5，厚度为100至300nm，如图5所不O
[0035]采用真空热蒸发法在Cr电极层上镀制CsI光电发射层6，厚度为300至600nm，如图6所示。
[0036]本实施例中的倒圆锥后凹式微结构深度约为10到18 μπι，倒圆锥后凹式微结构从开口开始逐渐变小，开口面积约为锥底面积的1.2到1.6倍，锥底为平底结构。
【主权项】
1.一种微结构增强反射式光阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，提供一个微通道板，该微通道板由皮玻璃和芯玻璃构成，其中的皮玻璃是可被HF腐蚀而不被HNO3腐蚀的玻璃，芯玻璃是既可被HF腐蚀而又可被HNO 3腐蚀的玻璃； 步骤二，将微通道板的一面浸入HF溶液中，皮玻璃和芯玻璃交界处的一部分皮玻璃和芯玻璃被腐蚀，并在皮玻璃上形成锥壁； 步骤三，将步骤二处理过的微通道板清洗后，将同一面浸入HNO3溶液中进行处理，芯玻璃的一部分被腐蚀形成平面锥底； 步骤四，将步骤三处理过的微通道板清洗后浸入NaOH溶液中进行表面微处理； 步骤五，将步骤三处理过的微通道板去除表面损伤层，烘干后获得具有密排倒圆锥后凹式微结构阵列的微结构增强基底； 步骤六，采用物理气相沉积法在微结构基底表面镀制一层电极层； 步骤七，采用物理气相沉积法在电极层上镀制一层光电发射层。2.如权利要求1所述的微结构增强反射式光阴极的制备方法，其特征在于:步骤二所述HF溶液质量浓度为0.1%?1.5%，处理温度为251: ±2°C，处理时间为30s?200s。3.如权利要求1所述的微结构增强反射式光阴极的制备方法，其特征在于:步骤三所述順03溶液浓度为0.2mol/L?1.5mol/L，处理温度为25°C ±2°C，处理时间为60s?600s。4.如权利要求1所述的微结构增强反射式光阴极的制备方法，其特征在于:步骤四所述NaOH溶液质量浓度为2%?8%，处理温度为25°C ±2°C，处理时间为120s?400s。5.如权利要求1所述的微结构增强反射式光阴极的制备方法，其特征在于:所述的物理气相沉积法为磁控溅射、真空热蒸发或电子束蒸发法。6.如权利要求1所述的微结构增强反射式光阴极的制备方法，其特征在于:构成电极层的材料为与微结构增强基底附着性好的Cr、Ni或Cu，电极层厚度为100-300nm。7.如权利要求1所述的微结构增强反射式光阴极的制备方法，其特征在于:构成光电发射层的材料为对X射线具有高光电转换效率的Au或CsI，光电发射层厚度为300-600nm。
【专利摘要】一种微结构增强反射式光阴极的制备方法，该方法采用酸、碱溶液对微通道板进行交替处理，获得表面具有倒圆锥后凹式微结构阵列的微结构增强基底，再采用物理气相沉积法在微结构增强基底表面依次镀制电极层和光电发射层，制得微结构增强反射式光阴极。通过该方法获得的微结构增强反射式光阴极可大幅度提高光阴极的量子效率和对微弱信号的探测能力，光电发射均匀性和稳定性好，适用于空间分辨的大尺度光电发射面应用，该方法还具有工艺流程简单、成本低廉等优点。
【IPC分类】H01J9/12
【公开号】CN105047505
【申请号】CN201510279955
【发明人】樊龙, 邓博, 曹柱荣
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年5月27日