多堿光電陰極飽和機(jī)理研究

1、收稿日期：收稿日期：20171229基金項(xiàng)目：基金項(xiàng)目：國家杰出青年科學(xué)基金(No.41605015)；脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(No.SKL2016ZR06)作者簡介：作者簡介：謝運(yùn)濤（1990－），男，江西撫州人，博士研究生，Email：wsqijian@；張玉鈞（通信作者），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，Email：yjzhang@aiofm.1多堿光電陰極飽和機(jī)理研究多堿光電陰極飽和機(jī)理研究謝運(yùn)濤，孫曉泉，王璽，張玉鈞（

2、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230037）摘要：多堿光電陰極飽和機(jī)理的研究對于提高陰極電子發(fā)射能力具有重要意義。依據(jù)光電陰極三步電子發(fā)射理論，采用蒙特卡洛法研究了多堿光電陰極的電子發(fā)射過程。研究結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，光子能量臨近光陰極響應(yīng)閾值附近時(shí)，得到的量子效率曲線以及電子能量分布曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。基于上述模型，研究了光壓效應(yīng)和空間電荷效應(yīng)對多堿光電陰極電子發(fā)射特性的影響。結(jié)果表明

3、，多堿光電陰極在光壓效應(yīng)限制下的閾值飽和激光能量密度約為8，在空間電荷效應(yīng)限制下的閾值飽和激光能量密度約為2.23。μJcm2μJcm2開展了266nm激光輻照多堿光電陰極實(shí)驗(yàn)，經(jīng)測量，多堿光陰極的閾值飽和激光能量密度約為2，表明空μJcm2間電荷效應(yīng)是限制其光電子發(fā)射能力的主要因素。關(guān)鍵詞：多堿光電陰極；蒙特卡洛法；量子效率；能量分布；飽和中圖分類號：O462.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：StudyontheSaturationMech

4、anismofMultialkaliPhotocathodeXIEYuntaoSUNXiaoquanWANGXi，ZHANGYujun(StateKeyLabatyofPulsedPowerLaserTechnologyNationalUniversityofDefenseTechnologyHefei230037China)Abstract:Thestudyofthesaturationmechanismofmultialkaliph

5、otocathodeisofgreatsignificancefimprovingitselectronemissionperfmance.AccdingtothethreestepelectronemissionmodeltheelectronemissionprocessofamultialkaliphotocathodewasstudiedbyMonteCarlomethod.Simulationresultsarecompare

6、dwithexperimentaldatainrelatedliteratures.Whenthephotonenergyisnearthephotoemissionthresholdofthephotocathodetheobtainedquantumefficiencycurveselectronenergydistributioncurvesareingoodagreementwithexperimentaldata.Basedo

7、ntheabovemodelthephotovoltageeffectspacegeeffectontheelectronemissionacteristicsofmultialkaliphotocathodewerestudied.Resultsshowthatthethresholdlaserenergydensityofthephotocathodeisabout8underphotoμJcm2voltageeffect2.23u

8、nderspacegeeffect.AnexperimentalinvestigationofthesaturationeffectofmultiμJcm2alkaliphotocathodeirradiatedwith266nmlaserwasconducted.Thesaturationthresholdlaserenergydensitywasabout2μJindicatingthatspacegeeffectisthemain

9、factlimitingitsphotoelectronemissioncapability.cm2Keywds:multialkaliphotocathodeMonteCarlomethodquantumefficiencyenergydistributionsaturatio多堿光電陰極靈敏度較高，且擁有較寬的光譜響應(yīng)范圍，在性能上接近第三代負(fù)電子親和勢光電陰極。其制作工藝簡單，真空度要求低，價(jià)格上優(yōu)于第三代光電陰極，目前大量應(yīng)用于

10、光電倍增管、超二代像增強(qiáng)器、微波電子槍等真空器件[1][2]。對于超二代像增強(qiáng)器，較低的光陰極飽和閾值限制了像增強(qiáng)器的動態(tài)范圍，使得像增強(qiáng)器容易受強(qiáng)激光飽和干擾。實(shí)驗(yàn)表明[3][4]，隨著入射激光單脈沖能量增加，光電陰極出射電子數(shù)將達(dá)到飽和。對該現(xiàn)象存在兩種解釋：一是陰極附近的高密度電子云改變了光電陰極的表面電場，阻礙后續(xù)電子的發(fā)射，也就是所說的空間電荷效應(yīng)[5]。另一種解釋是：陰極內(nèi)未發(fā)射出的電子在表面堆積，抬高了陰極表面勢壘，阻礙電

11、子從陰極表面逸出，即光壓效應(yīng)[6]。以上兩種假設(shè)均有可能導(dǎo)致陰極飽和，對于GaAs負(fù)電子親和勢光電陰極，當(dāng)陰極量子發(fā)電子到導(dǎo)帶，因此臨近基底附近不會對光產(chǎn)生吸收。1.3光電子輸運(yùn)及逸出散射機(jī)構(gòu)是影響電子輸運(yùn)特性的重要因素。光電陰極內(nèi)的散射機(jī)構(gòu)主要有電子散射和聲子散射，最重要的是電子散射，其次是聲子散射。對于Na2KSb(Cs)，電子散射的閾值能量為3.0（對應(yīng)的光波長為413nm），對于可見eV光或者近紅外光，可不考慮電子散射的影響。當(dāng)

12、光子能量大于4.5時(shí)，電子散射的影響非eV常明顯。Ghost通過實(shí)驗(yàn)測量了多堿光電陰極電子散射平均自由程，通過平均自由程可計(jì)算電子散射對電子輸運(yùn)的影響[13]。對于聲子散射，由于多堿光陰極的光譜響應(yīng)范圍很寬，涉及高能量電子，需考慮能帶的非拋物線性對散射率的影響，多堿光電陰極聲子散射率可用如下公式計(jì)算[14]：(3)21201201112()()22()42loqpemNF?????????????????式中，表示釋放或者吸收一個聲子，

13、為?m導(dǎo)帶底等效電子質(zhì)量，對于Na2KSb，m[15]，為真空電子質(zhì)量，≈0.23meme?=??為電子散射終態(tài)的能量，對于Na2KSb，聲子ωlo的能量為0.022[16]，為?ωloeVF0(∈∈)0()=lnuFABCv?????????、、、、和分別可用如下公式進(jìn)、γ(?)v行計(jì)算1=()(1)exp1qlobNkT??????????????????2=(1)(1)()()2A????????????????????????1

14、212=()()4(1)(1)()()B???????????????????=2(1)(1)(12)(12)C????????????2212121212=()()=()()uv??????????????????電子到達(dá)陰極真空交界面時(shí)，電子按以下概率逸出：(4)1201()=1()2ATEEE?????當(dāng)電子能量小于電子親和勢時(shí)，電子逸出概率幾乎為零。當(dāng)電子能量遠(yuǎn)大于時(shí)，逸出概率將無限接近0.5。2弱光信號光電陰極電子發(fā)射特性表1

15、列舉了光陰極三種材料的禁帶寬度和電子親和勢[17][18]。表1光陰極材料禁帶寬度及電子親和勢光陰極材料禁帶寬度及電子親和勢Tab.1Energygapelectronaffinityofthephotocathodematerials材料帶寬()EgeV電子親和勢()χeVNa2KSb1.01.0K2CsSb[1]1.01.1Sb?Cs1.670.47圖3.多堿光陰極能帶軸向分布曲線Fig.3EnergyBprofilesofNa2K

16、Sb(Cs)alonglongitudinalcodinate假設(shè)Na2KSb厚度為100nm，K2CsSb厚度為3nm，p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體摻雜濃度分別為3108cm3和1108cm3，基底與陰極之間金屬的功函數(shù)為4.4，采用式（1）求WmeV解得到光陰極的能帶分布，如圖3。可以看出，在半導(dǎo)體與基底接觸處面附近，能帶向上彎曲，能帶的彎曲能夠阻止電子朝著基底方向運(yùn)動。在p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體接觸界面，價(jià)帶在交界面處存在一個突變，出現(xiàn)了