Rb2Te与Cs2Te日盲紫外阴极比较研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)微光夜视技术重点实验室 作者:李晓峰

  叙述了Rb2Te 日盲紫外阴极的制作工艺并制作了Rb2Te 日盲紫外阴极。测量了Rb2Te 和Cs2Te 两种日盲紫外阴极的光谱响应、光谱反射率、光谱吸收率和250 nm 波长激发条件下的荧光谱。测量结果表明,Rb2Te 日盲紫外阴极的光谱响应更高,但光谱响应的峰值和长波截止波长也更短。Rb2Te 日盲紫外阴极光谱响应的峰值波长位于225 nm,长波截止波长位于315 nm,而Cs2Te 日盲紫外阴极光谱响应的峰值波长位于250 nm,长波截止波长位于323 nm。另外Rb2Te 日盲紫外阴极的日盲特性更好, 633 nm 波长的光谱响应为10 - 5mA/W 的数量级,较Cs2Te 日盲紫外阴极低一个数量级。光谱反射率的测量结果表明,Rb2Te 日盲紫外阴极的光谱反射率曲线形状与Cs2Te 日盲紫外阴极的光谱反射率曲线形状相似,区别是整个光谱反射率曲线向短波方向移动,且波长越长,移动越大。另外Rb2Te 日盲紫外阴极的光谱反射率在200 ~ 450 nm 的波长范围内均低于Cs2Te 日盲紫外阴极的光谱反射率,由此可推断出Rb2Te 紫外阴极的折射率低于Cs2Te 紫外阴极的折射率,并且波长越长,折射率差别越大。光谱吸收率的测量结果表明,Rb2Te 日盲紫外阴极的吸收率大于Cs2Te 紫外阴极的吸收率。光谱吸收率越高,光谱响应也越高,与光谱响应的测量结果相吻合。荧光谱的测试结果表明,在250 nm 波长激发条件下,在200 ~ 450nm 的波长范围内,Rb2Te 紫外阴极的荧光强于Cs2Te 紫外阴极的荧光,原因是Rb2Te 阴极的吸收率高于Cs2Te 紫外阴极的吸收率。光谱吸收率越高,荧光越强,这同样与光谱响应的测试结果相吻合。所以Rb2Te 日盲紫外阴极与Cs2Te 日盲紫外阴极相比,性能更优,可用于日盲紫外探测器。

  电力输送在国民经济中的地位越来越重要,实现安全和无间断的电力输送是电力部门所追求的目标。长距离的电力输送往往需要在超高电压的条件下进行,因此对输电塔、输电线的维修和维护是保证电力安全输送的前题。高压输电塔往往高达几十米,有的甚至上百米,而且多数的高压输电塔安装在崇山峻岭之中,因此完全靠人工来完成输电线路的检查几乎是不可能的。高压输电线路发生的故障之一是线路之间发生漏电或放电,而如果在故障的初期不及时进行排除或维修,后果将不堪设想。因此在输电线路上及时发现漏电或放电现象,是保证及时对输电线路进行故障排除,避免由于输电线路故障而造成重大损失的必要保证。目前电晕检查仪是检查高压输电线之间发生放电或漏电的有效工具。电晕检查仪有红外和紫外两种,但目前紫外电晕检查仪在电晕放电的检查中,应用更广。这是因为在大气层下,或在海平面上,由于大气层中O3的吸收,周围环境中没有300 nm 以下的紫外线,因此当用日盲紫外探测器来探测300 nm 以下的紫外线时,所获得紫外图像的对比度较红外探测器好,因此在电晕检查方面,采用紫外探测器的趋势越来越明显。根据国家电网的规划,将来的电网为智能型的电网,即在输电塔上安装有日盲紫外探测器,探测器定期的探测高压输电线的情况并将信号传回监控中心,因此监控中心可以及时掌握输电线路的情况并进行处理,所以对日盲紫外探测器的市场需求很大。日盲紫外探测器的关键部件为日盲紫外光电阴极( 简称日盲紫外阴极或紫外阴极) 。常用的紫外阴极材料有Cs-I、K-Br、Cs-Te 等,如美国哈勃望远镜中的近紫外探测器用的是Cs-Te 阴极,美国中程太空实验( Midcourse Space Experiment,MSX) 携带的紫外可见光成像器和光谱成像器( Ultraviolet and Visible Imagers and Spectrographic Imagers,UVISI)中紫外探测器的光电阴极为Rb-Te 阴极和Cs-I阴极。

  在国内,对Cs2 Te 日盲紫外光电阴极的研究较多,并且取得了富有成效的研究成果,对Rb2Te 紫外阴极也有研究,但报道不多。而Rb2Te 紫外阴极又是研究RbCsTe 三元日盲紫外阴极的基础,因此进一步开展Rb2 Te 紫外阴极的研究具有重要的现实意义。

1、Rb2Te 阴极样品制作

  由于Rb2Te 紫外阴极和Cs2Te 紫外阴极的材料性能相当,因此Rb2Te 阴极的电阻也很高,为了使光电阴极在发射光电子时电子能得到及时补偿,需要在阴极的石英窗上制作一层金属导电基底。阴极的导电基底应满足以下条件:

  ①面电阻足够小,一般导电基底的面电阻小于107 Ω 就能满足要求;

  ②对响应波段光辐射透过率高;③与紫外光阴极相容。Rb2Te 阴极导电基底的制作与Cs2Rb 阴极导电基底的制作工艺相同。选用Ni-Cr 合金作为阴极基底的导电材料,采用电子束加热的方式蒸发。由于要阴极衬底表面的面电阻小,Ni-Cr 膜层的厚度就要厚,同时石英窗的透过率就会低,从而会影响阴极的灵敏度。所以在阴极石英窗表面上镀制导电基底时,膜层的厚度要根据实际应用时阴极的电流发射密度来决定。对于微弱信号的探测而言,10 nm 或以上的膜层厚度即可,图1 是典型的蒸镀导电膜层之后的石英窗光谱透过率。

石英窗透过率

图1 石英窗透过率

  Rb2Te 紫外阴极的基本制作工艺是这样,首先将镀有Ni-Cr 导电基底的石英窗、管壳以及Te、Rb 蒸发源等装入紫外阴极的制作真空系统。其中Te 源采用Te-In 合金;Rb 源采用由Rb2CrO4和ZrAl 混合粉末。

  对紫外阴极制作真空系统进行温度为300℃,保温时间为12 h 的烘烤除气。当烘烤时间完成之后,让系统缓慢降温。当温度下降到170℃时,打开低压汞灯、紫外阴极光电流监控装置,并利用记录仪记录光电流的变化。分别打开Te 蒸发源和Rb 蒸发源的蒸发电流,同时蒸发Te 原子和Rb 原子,使其反应生成Rb2Te 膜层,当Te 原子和Rb 原子开始发生化学反应生成Rb2Te 阴极膜层时,紫外阴极的光电流会上升,并且随着Rb2Te紫外阴极膜层的加厚,光电流随之增加。当光电流达到最大值之后,停止Te 原子和Rb 原子的蒸发,关掉Te蒸发源和Rb 蒸发源的蒸发电流。阴极膜层制作完成之后将真空系统温度降低并将阴极封接在真空管壳中,这样日盲紫外Rb2Te 阴极样品就制作完成了。

2、结论

  (1) Rb2Te 紫外阴极的光谱响应高于Cs2Te 紫外阴极的光谱响应,其光谱响应的峰值波长在225nm。在633 nm 处的光谱灵敏度为10 - 5 mA/W 的数量级,日盲特性优于Cs2Te 紫外阴极。

  (2) 在200 ~ 450 nm 的波长范围内,Rb2Te 紫外阴极材料的折射率小于Cs2Te 紫外阴极材料的折射率,对同样厚度的Rb2 Te 紫外阴极和Cs2 Te 紫外阴极来讲,Rb2 Te 紫外阴极的光谱反射率低于Cs2 Te的光谱反射率,波长越长,差别越大;波长越小,差别越小。

  (3) Rb2Te 紫外阴极和Cs2 Te 紫外阴极的吸收限约为450 nm。在200 ~ 450 nm 的吸收带范围内,Rb2Te 紫外阴极的吸收率均高于Cs2 Te 紫外阴极的吸收率。这与Rb2Te 紫外阴极的光谱响应高于Cs2Te 紫外阴极光谱响应的结论相吻合。

  (4) 在250 nm 波长激发条件下,在200 ~ 450nm 的波长范围内,Cs2 Te 紫外阴极的荧光谱高于Cs2Te 紫外阴极的荧光谱,主要原因是Rb2 Te 紫外阴极的光谱反射率低于Cs2Te 紫外阴极的光谱反射率。在同样入射光照射条件下,荧光谱越高,阴极灵敏度也越高。

  (5) Rb2Te 紫外阴极是一种性能良好的日盲紫外光电阴极,其制作工艺与Cs2 Te 紫外阴极的制作工艺类似,因此也是日盲紫外探测成像器件光电阴极的选择之一。

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