文 献 综 述
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[1,2]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。
1 K-Cs-Sb 光阴极特征及其制造工艺
1963 年Sommer[3] 等发明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K2CsSb，K2CsSb 是立方L21 结构、与Na2KSb 相似，p-型半导体，功函数为1.9 eV(Eg=1.2 eV，Ea=0.7 eV)。但Cs易损失和中毒(O2、CO2 敏感，CH4、CO、H2 不敏感)，寿命短，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)[4]，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[5]。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O2 氧化，导致K-Cs-Sb 光阴极表面真空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。
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系统[6,7](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。
图1 光阴极制备系统布局图
Fig.1 Layout of the photocathode preparation system.
2 K-Cs-Sb 光阴极制造工艺过程
2.1 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%)。Phi;15 mm 基底用金刚石膏作镜面抛光，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Sbgt;99.999%)。对装载室和制备室抽真空，当真空达到工艺要求的10–4 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2times;10–8 Pa，用残余气体分析仪检测何种气体对光阴极QE 影响较大。
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