锑钾铯光阴极制备系统.docx

锑钾铯光阴极制备系统李旭东 1,2陈丽萍 1强 1林国强 1赵明华 1顾1 (中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800)2 (中国科学院研究生院 北京 100049)摘要 双碱金属锑化物光阴极在可见光下有高量子效率(QE)、低发射度和强射(RF)频电场，实用真空下寿命较长，产生的高亮度电子束团满足能量回收型直线加速器要求。此类光阴极都含有元素 Cs，需在超高真空(UHV) 下制备、转移及工作。本文简述了 SINAP 的双碱金属锑化物光阴极制备装置及各种仪器功能，提出了 UHV 获得、光阴极基底清洗和 K-Cs-Sb 光阴极制备过程的方案。通过实验测量了 K-Cs-Sb 光阴极 QE 与激光入射功 率密度和波长的关系，并构想了基于此制备装置的 K-Cs-Sb 光阴极的其它性能测试实验。关键词 光阴极，量子效率，超高真空，制备装置中图分类号 O462.3, TN29影响光阴极电子枪产生电子束流性能的因素有：光阴极材料、电子枪结构、激光参数、加速电 场等，其中光阴极材料品质对电子枪所发射出电子 束流电流密度、发射度起决定性作用。理想光阴极 材料特征：长波长光照时高量子效率(QE) 接近100%，实用真空下(106 Pa)坚固、寿命合理(1 年)， 响应时间短(ps)，暗电流可忽略，高加速电场工作， 均匀光电子发射，制备、安装、更换简单。随着光 阴极电子枪和材料科学发展，目前主要的光阴极材 料有：金属类光阴极（单质金属1、金属合金2、 涂敷金属3、金属化合物-热光电子发射）；半导体 光阴极（碱金属锑化物、碱金属碲化物4、碳类5、 硅、锗、III-V 族化合物6、II-IV 族化合物）；绝缘 体光阴极(碱金属卤化物、PLZT/PZT)。可用于加速器的高 QE 光阴极是半导体阴极， QE 较另外两类光阴极高很多，寿命问题也会随真 空度提高和暗电流减小得到解决。半导体正电子亲 和势锑钾铯(K-Cs-Sb)光阴极7,8的 QE 虽然比负电 子亲和势光阴极稍低，但其响应时间短于 NEA 光 阴极(negative- electron-affinity photocathode)，寿命 也较长，暗电流较小，产生电子束发射度及能散都 很小，最重要的是可在强射频(RF)电场下工作。 K-Cs-Sb 光阴极在高亮度高平均功率光注入器中最 适用，将来可为能量回收型直线加速器以及高重复 频率直线加速器的短波长高增益自由电子激光装置 提供高品质束流。1K-Cs-Sb 光阴极特征及其制备1963 年 Sommer 等9发明 K-Cs-Sb 光阴极，蓝 光 / 紫外光 下 QE 为 0.3 ，室 温时 的暗电流仅 1017Acm2。主要成份是 K CsSb，K CsSb 是立方22L21 结构、与 Na2KSb 相似，p-型半导体，功函数为1.9 eV(E =1.2 eV，E =0.7 eV)。但 Cs 易损失和中毒ga(O 、CO 敏感，CH 、CO、H 不敏感)，寿命短，2242对真空要求高。在 100以上比 Cs-Sb 稳定，在直流(DC)和 RF 加速电场下可较长时间工作，且储备 时间长。目前，最佳 K-Cs-Sb 光阴极峰值 QE 达58%(365 nm)10，已广泛用于光电管(二极，三极)、 光电倍增管、像增强管与变像管、微光摄像管和光 阴极电子枪等领域。K-Cs-Sb 光阴极分为反射式和透射式。反射式 光阴极基底通常是金属；而透射式光阴极基底通常 是透明玻璃，不易制备，我们选择制备 K-Cs-Sb 反 射式光阴极。K-Cs-Sb 光阴极制作也是个复杂的物 理、化学过程，其工艺质量与光阴极薄膜结构、表 面态性质等均有关，而薄膜结构和表面态分布又受 到装置真空度、真空腔内残余气体种类、光阴极基 底表面洁净程度以及制作过程中各种反应物质在真 空环境内分布状态等的影响。碱金属在暴露大气后将被空气中 O 氧化，导致 K-Cs-Sb 光阴极表面真空2能级上升和薄膜表面状况破坏，使 K-Cs-Sb 光阴极丧失光电子发射能力。第一作者：李旭东，男，1983 年出生，现为中国上海应用物理研究所博士研究生，研究方向为光阴极材料制备及测试通讯作者：赵明华，收稿日期：2012-01-05，修回日期：2012-04-09第 7 期李旭东等：锑钾铯光阴极制备系统487系统11,12(图 1)，以确保 K-Cs-Sb 光阴极品质。该系统由光阴极基底装载清洗室、光阴极制备室及传输 系统组成，用全金属隔离门阀隔开装载清洗与制备 室，蒸发源(K、Cs、Sb)与制备室也用全金属门阀隔 开。制备室设有若干观察窗，肉眼观察光阴极传输 及制备过程。该装置有一接口，以将制备好的 K-Cs-Sb 光阴极送到电子枪或测量室，或将使用过 的 K-Cs-Sb 光阴极送回制备室进行再次蒸镀沉积。电子枪中光阴极的工作环境(高加速场强、强激光)和强电流(1 mA 1 A 平均电流)与工业用光电阴 极区别很大，尚无现成商品。此外，高 QE 的 K-Cs-Sb 光阴极对保存环境要求很高，通常在实验室现场制 备；而高 QE 的光阴极制备装置也无定型产品，须 要自行设计组装。为降低污染气体对光阴极影响，K-Cs-Sb 光阴极须在超高真空(UHV)下制备、传输、 使用。我们基于真空转移技术，设计了一套集装载、 清洗、蒸镀 沉积和传输 为一体的光 阴极制备 图 1 光阴极制备系统布局图Fig.1 Layout of the photocathode preparation system.再依次进行 HF 清洗表面氧化物、高纯丙酮超声波清洗去脂、高纯乙醇清洗和去离子水冲洗。图 2 是光阴极制备系统原理图，干燥 N2 环境下 把化学清洗过的基底安装在装载室内，用 N2 吹干。 同时关闭制备室与蒸发源间的全金属门阀，以防更 换蒸发源时制备室内真空破坏，装上 Alvasources (Alvatec 公司)的 In 封纯碱金属(Cs, K)和高纯 Sb (99.999%)。对装载室和制备室抽真空，当真空达2K-Cs-Sb 光阴极制备工艺过程2.1超高真空获得及维持本套制备装置的难点是 UHV 获得和维持。真 空系统中剩余气体主要源于漏气、器壁及内部零部 件表面的出气等，为尽量减少真空负载，装载与制 备室腔体选择出气率低的不锈钢(SS)或钛(Ti)。采用 大抽速机械泵、非蒸发吸气剂泵、溅射离子泵抽真 空，腔室外部加热带(450烘烤 2448 h 除气)、光 阴极基底内卤素灯(250烘烤 24 h 除气)、小电流加 热蒸发源除气。在需要打开真空部件时采用高纯气 体保护，真空度由 PIRANI 规和 BA 规测量。4到工艺要求的 10 Pa 时，打开装载室与制备室之间全金属门阀，在 UHV 下用 MDC 传输组件把光阴极 基底送入制备室。卤素灯(12 V, 50 W)加热清洗基底 (加热到 600去掉表面 H，并保持 12 h，稳定度为1)，用氩离子枪清洗光阴极基底并退火几次，让 光阴极基底表面达到原子级清洁。当真空达到2.2光阴极基底清洗光阴极基底是暗电流较小的 SS 或高纯钼 (Mo,99.999%)。15 mm 基底用金刚石膏作镜面抛光，8210 Pa，用残余气体分析仪检测何种气体对光阴极 QE 影响较大。488核技术第 35 卷图 2 半导体光阴极制备系统原理图Fig.2 Diagram for preparing the semiconductor photocathode.的解吸附，表现为光电流达到峰值时稍为降低，但 太多 K 或 Cs 会大大降低 QE，且不易恢复，过量2.3光阴极蒸镀沉积制备Cs 降低 QE 原因为：K2CsSb + 2Cs Cs3Sb + 2K。光阴极自然冷却或退火至室温，通常温度稳定时光阴极光电流较大。再蒸少量 Sb 使光阴极更稳 定，寿命更长或用 O2 激活 K-Cs-Sb 光阴极，使 QE 进一步提高。使用过的 K-Cs-Sb 光阴极在 450加 热 30 min 或用氩离子枪溅射去掉表面光阴极材料， 光阴极基底可重复使用。K-Cs-Sb 光阴极制备过程 中各种参数由一台 PC 上的 LabVIEW 程序控制，包 括了光阴极基底传输，蒸发源移动，腔室及光阴极 基底加热及温度控制，氩离子清洗，蒸发源加热蒸 发及除气时电流，真空，光电流，激光功率，剩余 气体分析等。另外，图 2 中氢原子枪和 O2、NF3 接口，是为 将来制备 III-V 族化合物半导体光阴极(Zn 重掺杂的 GaAs，Mg 重掺杂 GaN 等)预留的。蒸镀沉积 K-Cs-Sb 光阴极典型方法：Sb、K、Cs(依次蒸镀) K-Cs-Sb；Sb、Cs(依次蒸镀/共蒸镀/循环交替蒸镀，也称 yo-yo 法，多次重复蒸镀使 QE 逐渐上升的方法，III-V 族化合物光阴极激活常 用) Cs-SbKK-Cs-Sb；Sb、K(依次蒸镀/共蒸 镀/循环交替蒸镀)K-SbCsK-Cs-Sb；Sb、Cs(依 次蒸镀/共蒸镀/循环交替蒸镀) Cs-SbSb、K(共 蒸镀/循环交替蒸镀) K-Cs-Sb。制备室真空达到并维持在 108107 Pa；基底温 度不变或不同蒸发源有各自的基底温度蒸镀沉积光 阴极，用卤素灯与温控仪精确控制基底温度；蒸镀 沉积区域由 蒸发源与光 阴极基底之 间的圆形 MASK 圈定(10 mm)；环状 Ti 阳极加100 V 的负 电压，光阴极产生每一个光电子都对光电流有贡献；1 mW 的低能 CW532nm(2 mm)激光透过石英玻璃 窗照射光阴极，激光到窗路径上的光由半透明镜面 反射到光功率计上，测得光强，激光强度可由光路 上的线偏振片调节，用皮安电流表监测光电流；调 节加热电流控制蒸发源蒸发，石英晶体膜厚仪测量 蒸镀沉积厚度/速率(方便重复制备高品质 K-Cs-Sb 光阴极)。通常蒸发源(K 或 Cs)稍微过量，以补偿它3K-Cs-Sb 光阴极性能测试QE 是 K-Cs-Sb 光阴极最主要性能参数之一， 为产生的光电流与照射到光阴极上的光功率之比。 K-Cs-Sb 光阴极只对近紫外到可见光有响应，QE 在 此波段内随波长变化曲线为光谱响应。K-Cs-Sb 光第 7 期李旭东等：锑钾铯光阴极制备系统489阴极的光谱响应实验，在南京理工大学 III-V 族化合物半导体 NEA 光电阴极智能激活测试系统上完 成，该系统由光源、光栅单色仪、K-Cs-Sb 光阴极、 微弱电流信号测量及处理模块和电脑等构成。光源 是氙灯(紫外到可见光波段)，单色光功率甚至高于 卤钨灯和氘灯，适用于 K-Cs-Sb 光阴极的光谱响应 测量。光栅单色仪将从氙灯发射出的光中分离出相 应的单色光，对应波长功率通过光功率计标定并存 入电脑；输出的单色光通过光纤入射到光阴极表面。 图 3 为微弱的光电流信号经过测量及处理模块后得 到光谱响应曲线，K-Cs-Sb 光阴极的光谱响应范围 为 300600 nm，峰值波长 405 nm 处的 QE=9.5%。阴极表面的 QE 分布。各种因素对 K-Cs-Sb 光阴极寿命影响：不同污染气体在特定真空度下光阴极寿 命；不同温度时光阴极寿命；加速电场强度和退火 时间/温度对光阴极寿命的影响。延长光阴极寿命相 关实验：再次蒸 Cs 是否可让退化的 K-Cs-Sb 光阴 极 QE 恢复。4结论这套光阴极制备研究系统具有制备多种类型高 QE 半导体光阴极的功能，可开展制备工艺研究和 光阴极材料优选，寻找到最佳光阴极及最成功制备 工艺。光阴极的性能与制作设备条件、蒸发速率以 及真空腔内的残余气体种类等有紧密联系，很难保 证在不同设备上制作光阴极的过程完全可重复，必 须在实践中加以总结和积累, 才能获得较高的制作 成品率。同时，此系统也可用于低 QE、长寿命金 属光阴极表面工艺处理和光电测量等研究。参考文献1Nakajyo T, YANG J F, Sakai F, et al. Quantumefficiencies of Mg photocathode under illumination with3rd and 4th harmonics Nd:LiYF4 laser light in RF gunJ. Jpn J Appl Phys, 2003, 42: 14701474Tkachenko V G, Kondrashev A I, Maksimchuk I N. Advanced metal alloy systems for massive high-current photocathodes J. Appl Phys B, 2010, 98: 839849Moody N A, Jensen K L, Feldman D W, et al. Factors affecting performance of dispenser photocathodes J. J Appl Phys, 2007, 102: 104901Michelatoa P, Pagania C, Sertorea D, et al. Characterization of Cs2Te photoemissive film formation, spectral responses and pollution J. Nucl Instr and Meth in Phys Res A, 1997, 393:464468孙启龙, 王兴涛, 林国强, 等. 碳纳米管光场致发射新型电子枪的初步方案设计J. 核技术, 2007, 30(11):947951SUN Qilong, WANG Xingtao, LIN Guoqiang, et al. Design of a novel electron gun based on photoemission of carbon nanotubes J. Nucl Tech, 2007, 30(11): 947951Militsyn B L, Burrows I, Cash R J, et al. First results from the III-V photocathode preparation facility for the ALICE ERL Photoinjector R. 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