锑钾铯光阴极制备系统

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1、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

2、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(10–6Pa)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

3、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-affinityphotocathode)，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

4、(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10–17A·cm–2。主要成份是KCsSb，KCsSb是立方22L21结构、与Na2KSb相似，p-型半导体，功函数为1.9eV(E=1.2eV，E=0.7eV)。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

5、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%(@365nm)[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

6、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，zhaominghua@sinap.ac.cn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

7、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(1mA–1A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