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光电倍增管光阴极技术

野明月
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  3、高灵敏度碱金属光阴极

  2007年,滨松公司通过改进光阴极的活化过程,成功地增强了碱阴极的量子效率。该光阴极中,光电面的峰值波长达到350nm的时候,量子效率平均可以达到43%,并被命名为顶级双碱(ultra bialkali),简称UBA。除了顶级双碱,我们还研发了另一种灵敏度适中的光阴极,名为"超级双碱",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。

  图5:UBA、SBA和标准双碱阴极的QE曲线

  光阴极为超级双碱的滨松高量子效率型PMT

  4、半导体光阴极的发展

  除了在碱锑化物光阴极上的提升,研究人员亦非常热衷如GaAs等的半导体光阴极的研发。这项研究发现,经Cs-O活化处理的半导体晶体表面形成电双层铯氧化物,会引起表面能带曲线向下弯曲,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。

  图6:GaAs光阴极的能带模型

  光阴极材料为GaAs的滨松侧窗型PMT

  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光阴极的研究,对GaAsP光阴极也开始了研究。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实际应用中可以超过50%。

  图7:GaAsP光阴极的能带模型

  光阴极材料为GaAsP的滨松MCP-PMT

 

  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,滨松研发了InP/InGaAs光阴极。这种光阴极通过在半导体表面蒸镀一层金属膜(比如银)(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,这样在光阴极中形成一个电场,大大地降低了表面势垒,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 光子吸收层和InP电子发射层间导带势垒ΔEc的存在,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。

  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

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