GaAs-玻璃粘接透射式陰極光電發(fā)射在線(xiàn)穩定性研究
為了尋找三代像增強器管內陰極靈敏度下降產(chǎn)生的原因, 用質(zhì)譜計作為質(zhì)量監測手段, 通過(guò)對陰極原子級潔凈表面獲得、陰極激活銫、氧提純工藝參數優(yōu)化研究, 所制備的透射式GaAs 陰極光電發(fā)射穩定性進(jìn)行在線(xiàn)考核試驗, 結果表明, 優(yōu)化工藝激活的光電陰極在真空度10- 9 Pa, 主要殘氣為H2、N2、Ar 的超高真空度中存放500 h, 靈敏度穩定。銦封到管內陰極靈敏度下降與真空度降低和有害氣體污染有關(guān), 不是陰極自身的問(wèn)題, 重點(diǎn)應開(kāi)展制管工藝質(zhì)量對靈敏度影響分析研究。
對用GaAs 光電陰極制成的高性能三代微光成像器件, 在進(jìn)行光電陰極靈敏度的測試時(shí), 發(fā)現陰極靈敏度常出現有升高和降低現象。這一問(wèn)題的出現, 嚴重影響了器件實(shí)用化進(jìn)程和器件工作壽命。從器件制造工藝來(lái)講, 造成光電陰極靈敏度不穩定的因素是很多的, 其中主要有1、銦封慢漏氣, 2、管內部件放氣, 3、GaAs 基底激活層沒(méi)有達到原子潔凈表面, 4、Cs、O 激活陰極靈敏度不穩定等。他們都可能是造成陰極靈敏度下降的主要原因, 所以必須要結合器件工藝開(kāi)展專(zhuān)題研究。以上四個(gè)問(wèn)題中, 1、2屬于管體封接和部件處理工藝范圍, 3、4屬于光電陰極制作范圍。為搞清光電陰極銦封到管內靈敏度下降的問(wèn)題, 本文重點(diǎn)對GaAs 陰極激活工藝對光電發(fā)射穩定性影響開(kāi)展了實(shí)驗研究, 通過(guò)質(zhì)譜計對工藝過(guò)程質(zhì)量進(jìn)行監控, 確定了最佳工藝參數, 首先解決了GaAs 陰極原位激活光電發(fā)射不穩定問(wèn)題。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)就對GaAs 陰極在線(xiàn)穩定性研究方面所取得的結果作以報道。
1、透射式陰極組件結構
三代像增強器所用的陰極結構如圖1 所示。光輸入窗為康寧7056 玻璃, 最上層是GaAs 激活層, 下層是緩沖層, 緩沖層下是Si3N4 純化層, 它們是采用熱壓粘接在一起的。GaAs 激活層到Si3N4 層之間總厚不超過(guò)4 um。通常要求GaAs 激活層無(wú)針孔、無(wú)各種缺陷。
圖1 GaAs 陰極結構
2、實(shí)驗裝置
GaAs 陰極光電發(fā)射穩定性試驗是在超高真空傳遞銦封綜合制管臺陰極激活室進(jìn)行的, 抽氣系統全部采用無(wú)油機組, 主抽泵為離子濺射泵, 前級為無(wú)油機械泵配磁懸浮分子泵, 離子泵,裝液氮冷阱,鈦升華泵, 極限真空為4×10-9 Pa。激活室配有微電流光電測試儀, 用于對陰極激活光電流的檢測。激活室還裝有殘氣分析質(zhì)譜計, 用于對系統真空殘氣和材料放氣、陰極組件熱清洗放氣過(guò)程質(zhì)量檢測。
3、激活工藝參數確定
將陰極組件送入激活臺后, 把對陰極高低溫熱清洗, 銫、氧源除氣和交替激活的全過(guò)程稱(chēng)之為激活工藝。它是獲得GaAs 負電子親合勢陰極的關(guān)鍵工藝, 如果工藝質(zhì)量出現問(wèn)題, 會(huì )造成GaAs 陰極光電發(fā)射不穩定。通過(guò)長(cháng)時(shí)間對陰極激活工藝試驗研究確定了最佳工藝參數, 保證了GaAs 陰極激活原位光電發(fā)射穩定性。
3.1、最佳熱清洗工藝
采用錸鎢合金材料繞制成的螺盤(pán)式加熱器對GaAs 陰極組件在10- 8 Pa 真空環(huán)境中進(jìn)行熱輻射加熱除氣, 同時(shí)用輻射系數為0.5 的紅外高溫計檢測GaAs 激活層表面加熱溫度, 通過(guò)大量試驗第一輪熱清洗的最佳參數是90 min 內把GaAs 陰極表面溫度升到600℃ , 保溫60 min 后停止加熱。待降溫120min 后開(kāi)始第一輪Cs、O 激活。這種熱清洗工藝可使原位陰極激活靈敏度達到1400 uA/lm 以上。第二輪熱清洗升溫時(shí)間不變, 只是保溫時(shí)間為45 min, 溫度為480℃ , 常稱(chēng)為低溫熱清洗。經(jīng)過(guò)第二輪熱清洗, 陰極靈敏度比第一次激活高30% , 可達1500 uA/ lm 以上。實(shí)驗證明, 上述熱清洗工藝能夠很好地使GaAs 層達到原子級清潔表面, 并且獲得高靈敏度負電子親和勢陰極。
在熱清洗過(guò)程中, 還要根據GaAs 陰極組件的放氣特性選擇合適溫度范圍, 用質(zhì)譜計檢測組件加熱時(shí)放出的具體殘氣成分, 以判別組件是否除氣徹底和存在污染。其目的一是用質(zhì)譜分析計對組件在熱清洗時(shí)釋放的殘氣成分進(jìn)行在線(xiàn)追蹤質(zhì)量分析, 力求為獲得高靈敏度, 創(chuàng )造良好的真空環(huán)境。二是通過(guò)長(cháng)期數據積累, 為以后陰極激活靈敏度不正常提供分析依據, 利于尋找問(wèn)題, 避免研究工作走彎路,加快科研步伐。
3.2、陰極激活高純銫、氧獲得
GaAs 陰極激活所用的銫、氧源是保證獲得高靈敏度的關(guān)鍵材料。對銫源材料的要求是電流加熱反應快, 放氣量小, 無(wú)質(zhì)量污染, 不掉粉末, 工作壽命長(cháng)。根據上述要求, 選用鋯鋁粉做還原劑的鉻酸銫,具體成分是1 份銫, 16.5 份鋯鋁粉、添加適量的鈮,其優(yōu)點(diǎn)是反應物控制容易, 銫源不易熔斷, 性能可靠, 應用時(shí)間長(cháng)。
高純銫的獲得關(guān)鍵在于對銫源材料除氣, 工藝參數的確定。通過(guò)對銫源除氣技術(shù)研究和對所制備的器件性能指標測試證明, 銫源除氣最大電流在1.5 A 時(shí), 則有銫逸出, 加熱電流在1.5 A 時(shí)放氣量最大, 用質(zhì)譜計對放氣量最大時(shí)的殘氣成分進(jìn)行在線(xiàn)分析, 無(wú)污染的銫源放出的主要殘氣成分是H2、H2O、CO、CO2、O。對銫除氣從開(kāi)始到結束, 這個(gè)過(guò)程需要12 h 來(lái)完成, 而且電流是緩慢增加, 太快會(huì )使銫反應劇烈, 易造成銫口暴裂, 銫源報廢。當銫源電流加到2.2 A 時(shí), 如果真空度恢復到10- 8 Pa,無(wú)氣體釋放, 則除氣結束。除氣結束后要對銫進(jìn)行蒸發(fā)加熱, 電流為2.5 A, 時(shí)間為2 min。最后進(jìn)行銫口開(kāi)封, 電流為3 A, 時(shí)間為10 s, 為保證銫開(kāi)封后電流的穩定性, 還要進(jìn)行電流為1 A, 時(shí)間90 min 銫源老煉, 方可供陰極激活使用。已開(kāi)封銫源絕對不允許再暴大氣, 必須長(cháng)期保持在超高真空中, 防止環(huán)境污染。
高純氧的獲得也是在激活室中完成的, GaAs 陰極激活所用的氧源材料為過(guò)氧化鋇。用質(zhì)譜計對除氣過(guò)程進(jìn)行監測, 當氧原子16 與水峰18 之比大于8時(shí), 便可獲得高純氧。最大加熱電流為2.5 A, 從開(kāi)始到結束, 除氣過(guò)程需要8 h。激活時(shí)氧源加熱電流在1.5 A 就可滿(mǎn)足要求。高靈敏度三代像增強器的研究證明, 以上所述工藝參數是高純銫、氧獲得的最佳條件。
3.3、Cs、O 激活
把滿(mǎn)足器件要求的GaAs-玻璃粘接陰極組件,在超高真空激活室經(jīng)過(guò)高溫( 600℃) 熱清洗, 獲得原子級潔凈表面后, 進(jìn)行第一輪激活( 真空度必須在10-8 Pa 以上) , 在Cs 保持不變情況下, 調節O, 進(jìn)行Cs、O 交替激活, 直到光電流達到最值, 然后再對組件進(jìn)行二輪低溫清洗( 450℃) , 再重復第一輪Cs、O交替激活, 使光電流再次達到最大時(shí)激活結束。通常經(jīng)過(guò)二輪激活的光電流峰值比第一輪峰值高20% ~ 30%, 靈敏度可達1500 uA/ lm 以上。
4、陰極原位光電發(fā)射穩定試驗
為了驗證激活后陰極原位光電發(fā)射穩定性, 對激活后的陰極進(jìn)行原位光電發(fā)射穩定性試驗。用光通量為1 lx 的光源連續照射光電發(fā)射層, 用光電流測量?jì)x監測光電流隨時(shí)間的變化, 500 h 內光電發(fā)射電流不下降, 可以認為管內光電陰極靈敏度下降不是陰極光電發(fā)射不穩定造成的。把激活靈敏度較高的陰極放在激活原位, 系統抽氣泵處于工作狀態(tài)下,每隔2 h 監測一次光電流, 經(jīng)過(guò)500 h 后, 光電流沒(méi)有下降, 證明了原位激活光電流的穩定性, 結果如圖2 所示。從圖中可看出500 h 后管內陰極靈敏度下降比在臺內動(dòng)態(tài)狀態(tài)下下降快, 若管體銦封不漏氣,其靈敏度下降主要原因是由管內真空度下降引起的。陰極在激活室內, 由于真空泵的不斷抽氣, 能始終維持超高真空狀態(tài)。相反管內無(wú)抽氣泵, 加上微通道板和熒光屏工作狀態(tài)下的微量放氣, 管內真空度肯定會(huì )下降, 從而造成陰極靈敏度的下降。如果微通道板除氣不徹底, 電子轟擊時(shí)釋放的有害氣體也會(huì )造成陰極靈敏度下降。
圖2 陰極穩定性曲線(xiàn)
需要說(shuō)明的是, 臺內試驗只反映了GaAs 陰極在動(dòng)態(tài)超高真空室內的穩定性, 而不能證明在管內靜態(tài)真空中的穩定性。管內靜態(tài)真空中的穩定性專(zhuān)門(mén)需要制作器件模擬超高真空系統, 模擬器件工作條件開(kāi)展專(zhuān)項課題研究。
5、結論
通過(guò)對GaAs-玻璃粘接透射式陰極激活光電發(fā)射在線(xiàn)穩定性研究, 可以得出以下結論:
(1) 對GaAs-玻璃粘接陰極組件光電發(fā)射層進(jìn)行高溫600℃, 保溫60 min, 可以獲得原子級清潔表面。二輪低溫450℃, 保溫50 min 熱清洗, 陰極靈敏度比一輪激活提高25% 。
(2) 對GaAs 陰極激活銫源采用0~ 1.5 A, 10 h緩慢除氣, 2.5 A, 60 s 的蒸發(fā)加熱和3 A, 10 s 的銫源開(kāi)封, 最后進(jìn)行電流1 A, 60 min 穩定, 可獲得高純銫。氧源0~ 2 A 除氣8 h, 最大除氣電流25 A。當16(O) 峰和18(H2O) 峰高之比大于8 時(shí), 可獲得高純氧。
(3) 超高真空度條件下, 對陰極進(jìn)行高低溫熱清洗兩輪激活, 激活時(shí)Cs 保持不變, 靠改變氧完成Cs, O 交替激活。
(4) 對采用優(yōu)化陰極激活工藝制備的GaAs 光電陰極進(jìn)行原位在線(xiàn)光電穩定性試驗, 陰極靈敏度動(dòng)態(tài)超高真空中500 h 不下降。光電發(fā)射性能穩定。管內陰極靈敏度下降不是陰極自身發(fā)射問(wèn)題, 是由管內真空度降低和有害氣體污染引起的。
