GaAs光電陰極智能激活研究
研制了一套基于計算機控制的GaAs 光電陰極智能激活系統(tǒng),該系統(tǒng)可在計算機控制下嚴格按照標準工藝對GaAs 光電陰極進行智能激活,并可在線測量陰極的光譜響應曲線。利用該系統(tǒng)分別進行了智能激活和人工激活實驗,采集了激活過程中的光電流變化曲線,分析發(fā)現(xiàn),和智能激活過程相比,由于人工激活過程出現(xiàn)了誤操作,相鄰光電流峰值間的差值下降很快,Cs、O 交替的次數(shù)也較少。人工激活過程中Cs、O 交替6 次,光電流最大值為43μA ,激活后GaAs 光電陰極的積分靈敏度為796μA/lm。智能激活過程中Cs、O 交替9 次,光電流最大值為65μA ,激活后GaAs 光電陰極的積分靈敏度為1100μA/lm。
1968 年,A. A. Turnbull 和G. B. Evans 用在GaAs陰極表面交替覆蓋Cs、O 的激活方式首次制成了負電子親和勢光電陰極。自上世紀70 年代實用化以來,GaAs 光電陰極因具有量子效率高,暗發(fā)射小,發(fā)射電子的能量分布及角分布集中,長波閾可調,長波響應擴展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點,在高性能微光像增強器、自旋電子學等眾多領域獲得了廣泛的應用。國內GaAs 負電子親和勢光電陰極的激活制備過程尚處于人工操作階段,人為因素造成的誤差會在很大程度上限制GaAs 光電陰極的成品率,如果由計算機精確控制GaAs 陰極的激活過程,則可避免人為因素帶來的不確定性和對經(jīng)驗的依賴,顯著提高陰極的成品率和生產(chǎn)效率�；谏鲜隹紤],我們首次成功研制了GaAs 光電陰極智能激活系統(tǒng),目前國內外尚未見同類系統(tǒng)的公開報道。該系統(tǒng)可在計算機控制下對GaAs 光電陰極進行智能激活,計算機智能激活控制程序能夠按標準工藝精確控制GaAs 光電陰極的激活過程,制備過程重復性更好,可大大提高GaAs 光電陰極的成品率和生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)還可在線測量GaAs 光電陰極的光譜響應曲線。利用該系統(tǒng),我們對GaAs 光電陰極進行了基于計算機控制的智能激活,并將智能激活過程和人工激活過程進行了對比,發(fā)現(xiàn)智能激活具有很大的優(yōu)越性。
1、系統(tǒng)結構及工作原理
1.1、系統(tǒng)總體結構
GaAs 光電陰極智能激活系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由兩大部分組成,一部分完成光電流的采集,另一部分控制單色光的輸出和Cs、O 程控電流源電流信號的輸出和采集。
圖1 GaAs 光電陰極智能激活系統(tǒng)原理框圖
微弱信號處理模塊通過施加200V 的電壓來收集陰極光電流,該處理模塊具有光電隔離功能,可以有效地濾除干擾信號,精密檢測1nA～200μA 之間的光電流。光電流經(jīng)微弱信號處理模塊放大處理后轉換為0 - 5V之間的電壓信號輸入計算機。計算機通過16 位A/ D 卡對輸入的電壓信號進行采集,從微弱信號處理模塊過來的電壓信號接到16 選1的模擬輸入多路器上,在軟件的控制下選通所需的輸入通道,當有電壓輸入時,該通道將模擬輸入信號送至采樣保持器,然后通過軟件觸發(fā)A/ D 轉換,當A/ D 轉換完成時,將16 位電壓數(shù)據(jù)從A/D卡讀入到計算機內存中。計算機把讀入的電壓信號轉換為相應的光電流,以完成對光電流的采集。在采集光電流的過程中,計算機通過I/ O 卡選擇不同的放大電阻,控制微弱信號處理模塊對光電流的放大倍率。光柵單色儀使用12V/ 100W的鹵鎢燈作為白光光源。在程控狀態(tài)下,單色儀中的中央處理器接收計算機發(fā)出的控制信號,并產(chǎn)生步進電機驅動單元所需的時序。步進電機根據(jù)中央處理器輸出的信號,帶動光柵臺轉動,實現(xiàn)波長的掃描,提供光譜響應測試所需的400nm～1000nm 之間的單色光。單色光采用光纖傳輸,這種方式可以提高傳光效率,而且在激活系統(tǒng)中使用更加靈活方便。計算機可通過軟件實現(xiàn)Cs、O 程控電流源輸出電流值0～10A 之間精確連續(xù)調節(jié),精度可達1mA ,并可控制程控電流源的通斷。計算機對光柵單色儀和Cs、O 程控電源的控制是通過RS232 接口實現(xiàn)的。
1.2 GaAs 光電陰極智能激活原理
目前被廣為接受的Cs、O 激活方式有兩種:一種是Cs 源連續(xù),O 源斷續(xù)的激活方式;另一種是Cs源和O 源皆斷續(xù)的激活方式。實驗證明,這兩種激活方式的效果沒有明顯的差別。系統(tǒng)的智能激活程序采用的是操作相對簡便的Cs 源連續(xù),O 源斷續(xù)的激活方式。激活過程中,由白光照射在陰極面上產(chǎn)生的光電子在高壓陽極的收集下產(chǎn)生光電流,光電流經(jīng)放大后由計算機通過A/ D 采集卡采集。計算機對光電流的實時變化情況進行判斷,并在判斷的基礎上通過智能的自適應控制算法來準確及時地控制Cs 源程控電源和O 源程控電源的電流輸出大小及通斷,嚴格按照標準工藝在GaAs 陰極表面交替覆蓋Cs、O ,有效地避免誤操作,以達到智能制備高性能GaAs 光電陰極的目的。
1.3、光譜響應曲線測試原理
光電陰極的光譜響應,有時稱光譜特性,是陰極的光譜靈敏度隨入射光譜的分布。具體來說,若照射到陰極面上的單色入射光的輻射功率為W (λ) ,陰極產(chǎn)生的光電流為I (λ) , 則陰極的光譜靈敏度為:
將陰極對應入射光譜中每一單色光的光譜靈敏度連成一條曲線,便得到了光譜響應曲線。光譜響應是光電陰極最重要的特性之一,在微光夜視領域,它是選擇陰極的重要依據(jù)。
2、實驗及分析
利用GaAs 光電陰極智能激活系統(tǒng)分別進行了智能激活和人工激活實驗。實驗采用的是反射式p型GaAs (100) 基片材料,材料的摻雜濃度為1 ×1019cm- 3 ,摻雜元素為Zn。在化學清洗后,GaAs 樣品被送入超高真空激活系統(tǒng)分別進行熱清洗和(Cs ,O)激活。激活過程中測試了光電流隨時間的變化曲線。
