研制了一套基于計算機控制的GaAs 光電陰極智能激活系統,該系統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,分析發現,和智能激活過程相比,由于人工激活過程出現了誤操作,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,暗發射小,發射電子的能量分布及角分布集中,長波閾可調,長波響應擴展潛力大等優點,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驗的依賴,顯著提高陰極的成品率和生產效率。基于上述考慮,我們首次成功研制了GaAs 光電陰極智能激活系統,目前國內外尚未見同類系統的公開報道。該系統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效率。該系統還可在線測量GaAs 光電陰極的光譜響應曲線。利用該系統,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,發現智能激活具有很大的優越性。

1、系統結構及工作原理

1.1、系統總體結構

　　GaAs 光電陰極智能激活系統原理框圖如圖1所示。系統由兩大部分組成,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A/ D 轉換,當A/ D 轉換完成時,將16 位電壓數據從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。在程控狀態下,單色儀中的中央處理器接收計算機發出的控制信號,并產生步進電機驅動單元所需的時序。步進電機根據中央處理器輸出的信號,帶動光柵臺轉動,實現波長的掃描,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,而且在激活系統中使用更加靈活方便。計算機可通過軟件實現Cs、O 程控電流源輸出電流值0～10A 之間精確連續調節,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,O 源斷續的激活方式;另一種是Cs源和O 源皆斷續的激活方式。實驗證明,這兩種激活方式的效果沒有明顯的差別。系統的智能激活程序采用的是操作相對簡便的Cs 源連續,O 源斷續的激活方式。激活過程中,由白光照射在陰極面上產生的光電子在高壓陽極的收集下產生光電流,光電流經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。

2、實驗及分析

　　利用GaAs 光電陰極智能激活系統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。