GaAs光电阴极智能激活研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京理工大学电子工程与光电技术学院 作者:杨智

  研制了一套基于计算机控制的GaAs 光电阴极智能激活系统,该系统可在计算机控制下严格按照标准工艺对GaAs 光电阴极进行智能激活,并可在线测量阴极的光谱响应曲线。利用该系统分别进行了智能激活和人工激活实验,采集了激活过程中的光电流变化曲线,分析发现,和智能激活过程相比,由于人工激活过程出现了误操作,相邻光电流峰值间的差值下降很快,Cs、O 交替的次数也较少。人工激活过程中Cs、O 交替6 次,光电流最大值为43μA ,激活后GaAs 光电阴极的积分灵敏度为796μA/lm。智能激活过程中Cs、O 交替9 次,光电流最大值为65μA ,激活后GaAs 光电阴极的积分灵敏度为1100μA/lm。

  1968 年,A. A. Turnbull 和G. B. Evans 用在GaAs阴极表面交替覆盖Cs、O 的激活方式首次制成了负电子亲和势光电阴极。自上世纪70 年代实用化以来,GaAs 光电阴极因具有量子效率高,暗发射小,发射电子的能量分布及角分布集中,长波阈可调,长波响应扩展潜力大等优点,在高性能微光像增强器、自旋电子学等众多领域获得了广泛的应用。国内GaAs 负电子亲和势光电阴极的激活制备过程尚处于人工操作阶段,人为因素造成的误差会在很大程度上限制GaAs 光电阴极的成品率,如果由计算机精确控制GaAs 阴极的激活过程,则可避免人为因素带来的不确定性和对经验的依赖,显著提高阴极的成品率和生产效率。基于上述考虑,我们首次成功研制了GaAs 光电阴极智能激活系统,目前国内外尚未见同类系统的公开报道。该系统可在计算机控制下对GaAs 光电阴极进行智能激活,计算机智能激活控制程序能够按标准工艺精确控制GaAs 光电阴极的激活过程,制备过程重复性更好,可大大提高GaAs 光电阴极的成品率和生产效率。该系统还可在线测量GaAs 光电阴极的光谱响应曲线。利用该系统,我们对GaAs 光电阴极进行了基于计算机控制的智能激活,并将智能激活过程和人工激活过程进行了对比,发现智能激活具有很大的优越性。

1、系统结构及工作原理

1.1、系统总体结构

  GaAs 光电阴极智能激活系统原理框图如图1所示。系统由两大部分组成,一部分完成光电流的采集,另一部分控制单色光的输出和Cs、O 程控电流源电流信号的输出和采集。

GaAs 光电阴极智能激活系统原理框图

图1  GaAs 光电阴极智能激活系统原理框图

  微弱信号处理模块通过施加200V 的电压来收集阴极光电流,该处理模块具有光电隔离功能,可以有效地滤除干扰信号,精密检测1nA~200μA 之间的光电流。光电流经微弱信号处理模块放大处理后转换为0 - 5V之间的电压信号输入计算机。计算机通过16 位A/ D 卡对输入的电压信号进行采集,从微弱信号处理模块过来的电压信号接到16 选1的模拟输入多路器上,在软件的控制下选通所需的输入通道,当有电压输入时,该通道将模拟输入信号送至采样保持器,然后通过软件触发A/ D 转换,当A/ D 转换完成时,将16 位电压数据从A/D卡读入到计算机内存中。计算机把读入的电压信号转换为相应的光电流,以完成对光电流的采集。在采集光电流的过程中,计算机通过I/ O 卡选择不同的放大电阻,控制微弱信号处理模块对光电流的放大倍率。光栅单色仪使用12V/ 100W的卤钨灯作为白光光源。在程控状态下,单色仪中的中央处理器接收计算机发出的控制信号,并产生步进电机驱动单元所需的时序。步进电机根据中央处理器输出的信号,带动光栅台转动,实现波长的扫描,提供光谱响应测试所需的400nm~1000nm 之间的单色光。单色光采用光纤传输,这种方式可以提高传光效率,而且在激活系统中使用更加灵活方便。计算机可通过软件实现Cs、O 程控电流源输出电流值0~10A 之间精确连续调节,精度可达1mA ,并可控制程控电流源的通断。计算机对光栅单色仪和Cs、O 程控电源的控制是通过RS232 接口实现的。

1.2  GaAs 光电阴极智能激活原理

  目前被广为接受的Cs、O 激活方式有两种:一种是Cs 源连续,O 源断续的激活方式;另一种是Cs源和O 源皆断续的激活方式。实验证明,这两种激活方式的效果没有明显的差别。系统的智能激活程序采用的是操作相对简便的Cs 源连续,O 源断续的激活方式。激活过程中,由白光照射在阴极面上产生的光电子在高压阳极的收集下产生光电流,光电流经放大后由计算机通过A/ D 采集卡采集。计算机对光电流的实时变化情况进行判断,并在判断的基础上通过智能的自适应控制算法来准确及时地控制Cs 源程控电源和O 源程控电源的电流输出大小及通断,严格按照标准工艺在GaAs 阴极表面交替覆盖Cs、O ,有效地避免误操作,以达到智能制备高性能GaAs 光电阴极的目的。

1.3、光谱响应曲线测试原理

  光电阴极的光谱响应,有时称光谱特性,是阴极的光谱灵敏度随入射光谱的分布。具体来说,若照射到阴极面上的单色入射光的辐射功率为W (λ) ,阴极产生的光电流为I (λ) , 则阴极的光谱灵敏度为:

  将阴极对应入射光谱中每一单色光的光谱灵敏度连成一条曲线,便得到了光谱响应曲线。光谱响应是光电阴极最重要的特性之一,在微光夜视领域,它是选择阴极的重要依据。

2、实验及分析

  利用GaAs 光电阴极智能激活系统分别进行了智能激活和人工激活实验。实验采用的是反射式p型GaAs (100) 基片材料,材料的掺杂浓度为1 ×1019cm- 3 ,掺杂元素为Zn。在化学清洗后,GaAs 样品被送入超高真空激活系统分别进行热清洗和(Cs ,O)激活。激活过程中测试了光电流随时间的变化曲线。

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