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0431-81702023
光學工程
光電倍增管光陰極技術

首先我們先來簡單過一下光電倍增管(PMT)的基本原理:

  光電倍增管是一種真空管,由光入射窗、光陰極、倍增級和陽極組成。光子通過光窗照射到光陰極上,光陰極發生光電效應產生光電子,然后被加速和聚集,進入倍增系統,在倍增極電子通過二次發射發生倍增,二次發射在每個倍增極上重復,導致陽極接收到的電子團倍增106 到 107倍,甚至更多。

  圖1(a):PMT(端窗型)截面圖

  圖1 (b):側窗型PMT=       

  側窗型光電倍增管通常相對有較高增益,廣泛應用于分光光度計和一般光度計量系統。

  圖1(c):端窗型PMT

  端窗型光電倍增管在光入射窗內表面直接形成光陰極,由于閃爍體比較容易耦合到光入射窗上,因此經常用于輻射測量。

  光陰極

  不同的光陰極材質可以使 PMT的感應范圍有不同的光譜響應特性,如果配合入射窗口材質,則可適當調制PMT的整體感應范圍。而對于光陰極材料而言,因為堿金屬的物理性質最活潑,所以幾乎都含有堿金屬元素。那這些光陰極都是如何被發現、認可繼而被使用的呢?接下來,我們就來具體了解一下PMT"光陰極技術"的那些事兒。

  1、堿性光陰極

  與其他光探測器相比,光電倍增管由于有低噪聲電子倍增器,所有在信噪比方面具有優異的特性。為了進一步提高信噪比,獲得更高的靈敏度,光陰極的量子效率也要進一步提高。圖2顯示了量子效率和目前使用的典型光陰極的波長之間的關系。

  1951年美國人Sommer(圖3 左)發明了光陰極處理工藝,通過使一層Sb和Na、K、Cs 發生反應,制造了多堿光陰極。這種光陰極在紫外到850nm的寬光譜范圍內都具有比較高的靈敏度,被用在分光光度計和生物與基因相關領域的熒光測量上。

  雙堿陰極是由Sb和K、Cs反應制造出來的,在400nm附近有著高靈敏性。使用這種雙堿光陰極的PMT被廣泛應用于閃爍計數的輻射測量,因為這種光譜響應特性和NaI閃爍體的發射波長很相配。順便提一下,這種雙堿光陰極也是Sommer在1963年發明的。繼Sommer發明這個光陰極,后來的專業工作者們在實踐中對這兩種光陰極也進行了進一步的提升,使得它們成為了今天得到最廣泛使用的PMT光陰極。光陰極的工作原理可以用能帶模型來描述,根據能帶理論,新的半導體光陰極和高靈敏度雙堿光陰極都被開發而出,也打開了增強光陰極靈敏度和延伸光譜響應范圍的道路。

  圖2:不同光陰極量子效率與波長關系曲線

  圖3:Alfred H. Sommer博士(左)在1984年10月25來訪濱松公司。右邊是濱松公司前主席晝馬輝夫。

  量子效率(簡寫為QE)是光陰極發射的光電子數除以入射光子數,通常用百分比表示。

  2、光陰極能帶模型

  因為光陰極是一種半導體,因此其運作可以用能帶理論來描述,能帶理論中有能量帶隙(Eg)、電子親和勢( Ea)、費米能級(Ef )、功函數( φ)等術語。圖4顯示了一種堿陰極能帶模型。當一個光子擊打光陰極,價帶中的電子吸收光子能量( hv),被激發到導帶,往光陰極表面擴散。如果這些電子的能量超過了真空勢壘,那么他們就被發射到真空中。該電子發射過程被W.E. Spicer 用下式表達。

  R :反射系數

  a : 光子全光學吸收系數

  aPE :電子被激發到高于真空能級的能級時的吸收系數

  L: 電子擴散的長度

  Ps:電子逃逸到真空中概率

  v: 光頻率

 

  這叫做Spicer的三步模型,用三步解釋了光電子發射過程:光吸收過程、電子擴散過程、逸出過程。應用這個表達式,可以通過增加擴散長度L來增強光陰極的晶體性質,還可以通過增加Ps來降低電子親和勢,來提高量子效率。

  圖4:堿金屬陰極能帶模型

3、高靈敏度堿金屬光陰極

  2007年,濱松公司通過改進光陰極的活化過程,成功地增強了堿陰極的量子效率。該光陰極中,光電面的峰值波長達到350nm的時候,量子效率平均可以達到43%,并被命名為頂級雙堿(ultra bialkali),簡稱UBA。除了頂級雙堿,我們還研發了另一種靈敏度適中的光陰極,名為"超級雙堿",簡稱SBA,其在350nm波長處的平均量子效率為35%。。圖5顯示了UBA、SBA和普通雙堿光陰極的典型光譜響應特性。

  圖5:UBA、SBA和標準雙堿陰極的QE曲線

  光陰極為超級雙堿的濱松高量子效率型PMT

  4、半導體光陰極的發展

  除了在堿銻化物光陰極上的提升,研究人員亦非常熱衷如GaAs等的半導體光陰極的研發。這項研究發現,經Cs-O活化處理的半導體晶體表面形成電雙層銫氧化物,會引起表面能帶曲線向下彎曲,因此電子親和勢有一個負值。這種光陰極被稱為NEA(negative electron affinity,負電子親和勢)光陰極。圖6顯示了一種被Cs-O活化后的單晶體GaAS的能帶模型。由于NEA允許在導帶底部的電子逸出,它的靈敏度可擴展到電子帶隙對應的900nm。

  圖6:GaAs光陰極的能帶模型

  光陰極材料為GaAs的濱松側窗型PMT

  由能帶模型推斷,能量帶隙較高的半導體會有較大的NEA。所以隨著GaAs光陰極的研究,對GaAsP光陰極也開始了研究。圖7顯示了GaAsP 的能帶模型。目前,GaAsP光陰極的峰值量子效率在實際應用中可以超過50%。

  圖7:GaAsP光陰極的能帶模型

  光陰極材料為GaAsP的濱松MCP-PMT

 

  5、近紅外光陰極

  為了在波長超過1.1um的波段獲得足夠的靈敏度,濱松研發了InP/InGaAs光陰極。這種光陰極通過在半導體表面蒸鍍一層金屬膜(比如銀)(大概50埃厚度),來形成一個肖特基結。在肖特基電極和半導體晶體背面加偏置電壓,這樣在光陰極中形成一個電場,大大地降低了表面勢壘,使光電子加速,并把光電子發射到真空中。

  圖8(a)和(b)顯示了異質結場聯合光陰極的光電子發射能帶模型。當不加偏置電壓時,由于InGaAs 光子吸收層和InP電子發射層間導帶勢壘ΔEc的存在,吸收層被激發的光電子不能夠到達發射表面,如圖8(a)所示。然而,當施加某個偏置電壓時,在銀肖特基電極和光陰極內部形成耗盡層,耗盡層最終到達InGaAs光吸收層和InP電子發射層之間的界面,因此在吸收層被激發的電子可以跨越勢壘到達InP電子發射層。此外,光電子在InP電子發射層內被加速,使得其從導帶底部Γ到更高能級帶L,并且在維持高能級的情況下從發射表面被發射到真空中。

  圖8 (a):InP/InGaAs光陰極的能帶模型

  圖8 (b): 施加偏置電壓的InP/InGaAs光陰極能帶模型

 

這種光陰極涵蓋了很寬的光譜范圍,從紫外的300nm到近紅外的1600nm,與InGaAs的帶隙相對應。整個光譜響應范圍內幾乎可以獲得平滑的2%的量子效率。

  光陰極材料為InGaAs的濱松側窗型PMT

  6、適用于低溫下操作的光陰極

  "暗物質"在天體物理學研究中是一個熱門話題。有人曾建議利用光電倍增管來捕獲微弱的紫外光子來探測暗物質。這些光子是由于偶然的暗物質和閃爍體原子碰撞而發射出來的。液態氙(-108℃)或者液態氬(-186℃)被用作閃爍體。在如此低溫下,光陰極的表面電阻變得很大,導致光陰極電流受限。由于面電阻增大造成的輸出線性特性變差,這對于很多測試是非常致命的。濱松研發的適用于低溫下操作的光陰極,則可解決這一難題。

  傳統的在低溫下運行的光陰極在陰極底部有一層鋁。圖9顯示了傳統帶鋁的光陰極和新型低溫光陰極的典型光譜響應特性。新型光陰極在420nm的量子效率大概為28%,雖然比SBA光陰極略低,但是比傳統光陰極高1.5倍。圖10顯示了傳統帶鋁的光陰極和新型低溫光陰極的線性度的比較。當在-100°C下工作時,傳統光陰極的輸出線性度在大概0.5nA時開始急速下降,而低溫光陰極在1uA時依然保持線性度,這里,線性度定義為輸出電流偏離初始值-5%時的電流。

  圖9:新型低溫雙堿光陰極的光譜響應特性

  圖10:-100°C下工作的線性度比較

  7、適用于高溫操作的光陰極

  在油井勘探記錄過程中,為了定位油或者天然氣存儲的位置,探測器需要進入鉆孔深達地下2000米(70°C)到3000米(105°C)。這就需要開發能夠抵御更高溫度的探測器,研究新的堿源技術不僅僅是因為鉆井過程中更換新探測器比較困難,也是因為隨著鉆井深度越來越大,對PMT耐高溫的要求也越來越高了。PMT的光陰極在油井勘探的高溫下會逐漸溶解,然而,利用Sb-K-Na混合制造的光陰極可以抵御這樣的高溫。濱松亦開發了可以在200°C下工作超過1000小時的光陰極。該光陰極在室溫下也有很低的暗電流,是低光量探測和其他需要低噪聲應用的理想選擇。

  圖11比較了傳統高溫光陰極和新型高溫光陰極的輸出壽命特性。可以看出,新型光陰極在高溫下的工作壽命是傳統光陰極的大約8倍。

  圖11: 200°C高溫環境下的輸出壽命特性

  光陰極材料為高溫雙堿的濱松端窗型PMT

 

  8、紫外光陰極

  運用GaN半導體,我公司成功生產了世界上首只透射式紫外光陰極。GaN通常是通過在藍寶石基底上外延生長形成的。而后來開發的運用硅基底的GaN生長技術,使得高質量外延薄膜在硅基底上生長成為了可能。

  利用該項技術,硅基底上經緩沖層外延生長形成氮化鎵的技術獲得突破。該技術使GaN晶體外延生長附著于玻璃窗,后經處理只留下氮化鎵薄膜加以使用。我們還使用一種光學清理方法,利用光來清理晶體表面。該技術在波長為280nm處獲得了令人滿意的21.5%的量子效率。圖12顯示了GaN光陰極和傳統Cs-Te光陰極的典型光譜響應特性。

  GaN光陰極目前被用于紫外圖像增強器,可以進行低光量探測和包括半導體晶片檢測、雷曼光譜儀、高壓輸電線電量放電檢測等技術在內的快速多通道(二維)測量。

  圖12:GaN光陰極(380 nm處量子效率為21.5% )

  與Cs-Te光陰極的光譜響應特性對比

  現在,盡管PMT的部分工作被半導體探測器取代,但隨著PMT光陰極創新技術的發展,PMT具有了更復雜的功能和更多的應用可能。未來PMT還會被廣泛在高能物理實驗的低光量探測、醫學設備、生物技術相關設備、油井探測設備以及天文觀察設備等之中。這些應用需要更高的量子效率、更寬的光譜響應范圍(延伸到紅外區域)以及紫外區域更高的靈敏度。濱松將會繼續研發更寬光譜響應范圍、更高靈敏度的PMT(QE=100%),以滿足這些特殊應用需求。

 


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