一种光阴极材料光电子发射性能评测装置及其评测方法

摘要

本发明公开了一种光阴极材料光电子发射性能评测装置及其评测方法。本发明的评测装置包括：真空腔室、真空抽气系统、真空度测量系统、光阴极组件、电源系统、光电子成像系统、数据采集系统、激光激发系统以及聚焦面镜。本发明通过在真空腔室内部设置聚焦面镜，聚焦面镜的焦点位于光阴极材料的表面，通过调节激光束的入射位置，实现激光入射角度的连续变化，并且可以改变激光的波长和偏振态，可原位测量得到光电子发射特性的全部参数。本发明的方法省去分立角度入射激光激发模式中频繁在真空腔室外部调节激光光路的一系列繁琐步骤，仅需要改变激光束的入射位置便可改变入射角度，且克服了分立角度入射带来的角度不连续问题。

说明书

技术领域

本发明涉及光阴极材料性能的评测，具体涉及一种光阴极材料光电子发射性能评测装置 及其评测方法。

背景技术

光阴极材料是一类具有光电效应的材料，能够在激光束激发下产生光电子发射，主要包 括铜、镁、铌等金属，砷化镓、氮化镓等半导体以及锑-铯、铯-碲、钠-钾-锑等二元或多元碱 金属。光阴极材料的光电子发射性能主要包括量子效率、总发射束流、发射电子角分布、电 子的能量分散以及亮度和热发射度等。

光阴极是光电倍增管、电子加速器、光电发射电子显微镜以及近十年发展起来的具有时 间分辨本领的超快电子显微技术的核心部件之一，其所用光阴极材料的光电子发射性能的优 劣对于上述设备的功能参数具有关键影响。例如，为了获得高品质的下一代加速器基光源， 如X射线自由电子激光或能量回收直线加速器X射线源，相应加速器所用的光阴极材料需要 具有高量子效率和低热发射度的特性；在超快电子显微镜工作过程中，由脉冲激光在光阴极 材料表面激发出的脉冲电子束的热发射度能够决定仪器成像的极限空间分辨率，而光阴极材 料的量子效率和亮度将制约仪器成像的信号强度。

在经过完整工艺制造出一种光阴极材料后，需要对其光电子发射性能进行定量评测。测 量条件包括：不同激光入射角度、不同激光波长、不同激光偏振态、采用连续或脉冲激光； 测量参数包括：总光电子发射束流、光电子角分布、光电子横向动量分布以及由上述参数推 演得到的亮度和热发射度。在不同测量条件下测得光电子发射性能参数，一方面为判定光阴 极材料在相关应用中的性能指标提供定量依据，另一方面可用于光阴极材料制备工艺参数的 优化设计。

但是，由于光阴极材料的光电子发射性能评测需要在超高真空中进行，而在超高真空中 控制激光角度的连续变化是一个一直无法解决的技术难题。现有控制激光角度的技术局限于 在真空腔壁上开具多个不同角度的透光的法兰口，因而入射光的角度变化量受到限制且角度 值为分立值，因此无法满足在连续的不同激光入射角度下参数测量的要求。

发明内容

为了实现在连续变化的激光入射角度和激发光波长下测量光阴极材料的光电子发射性能 参数，本发明提供一种光阴极材料光电子发射性能评测装置及其评测方法，通过巧妙的设计 实现在各个不同角度和波长下测量光阴极材料的光电子发射性能参数。

本发明的一个目的在于提供一种光阴极材料光电子发射性能评测装置。

本发明的光阴极材料光电子发射性能评测装置包括：真空腔室、真空抽气系统、真空度 测量系统、光阴极组件、电源系统、光电子成像系统、数据采集系统、激光激发系统以及聚 焦面镜；其中，真空腔室的表面分别通过法兰口连接真空抽气系统和真空度测量系统；在真 空腔室表面分别设置有机械安装法兰口和供电连接法兰口，光阴极组件通过机械安装法兰口 进入真空腔室内，并安装在其内部的连接固定架上，在供电连接法兰口内设置有多个电极， 电极的一端在真空腔室内，连接至光阴极组件，电极的另一端在真空腔室外部，与电源系统 相连接；在真空腔室的表面与光阴极组件相对，通过观察窗法兰口安装光电子成像系统；在 真空腔室内设置聚焦面镜，聚焦面镜的焦点位于光阴极组件中的光阴极材料的表面；在真空 腔室的表面设置有激光入射法兰口，安装透明的材料形成入射窗口，位于真空腔室外的激光 激发系统发出激光束通过入射窗口入射到聚焦面镜上反射，反射后汇聚到焦点；通过改变激 光束的入射位置，调整入射至光阴极材料表面的角度。

光阴极组件包括：光阴极材料、阳极、光阴极材料固定架和阳极固定架；其中，阳极为 金属栅网结构，设置在阳极固定架上；光阴极材料设置在光阴极材料固定架上，光阴极材料 固定架采用介电材料；光阴极材料固定架和阳极固定架分别通过连接件连接至真空腔室内部 的连接固定架上，从而将光阴极组件安装在真空腔室内。光阴极材料的横向尺寸需要小于阳 极的尺寸，光阴极材料的表面与阳极之间的间距可依据电场要求设计。供电连接法兰口内设 置有阴极电极和阳极电极，在真空腔室内的一端分别通过导线连接至供光阴极材料和阳极， 阴极电极处于真空腔室外部的一端连接至电源系统，阳极电极处于真空腔室外部的一端接地。 供电后，预测量的光阴极材料的表面与阳极之间将形成强度为兆伏特每米量级的均匀电场， 用于纵向加速由入射激光在光阴极材料表面激发的光电子，使其轰击到光电子成像系统上， 其中，纵向指电场方向；横向指垂直于电场方向。

激光入射至光阴极材料的表面，产生的光电子在电场作用下加速，做抛物线运动。本发 明采用加速光电子使光电子做抛物线运动的方法，具有如下优点：1、压缩了光电子的横向空 间分布范围，方便数据的读取；2、将光电子的横向动量分布转化为横向位置分布，将复杂物 理量简化为简单可测物理量；3、高速运动的光电子可以有效地规避磁场及杂散电磁场对测量 数据的影响。

在真空腔室的表面设置有激光入射法兰口，安装透明的材料形成入射窗口，同时在真空 腔室内设置有聚焦面镜，位于真空腔室外的激光激发系统发出激光束通过入射窗口入射到聚 焦面镜上，反射至位于焦点处的光阴极材料的表面，激发光阴极材料产生光电子。连续改变 激光束的入射位置将连续改变激光束入射至预测量的光阴极材料表面的角度，由此实现激光 入射至光阴极材料表面的角度的连续调控。通过调节激光器输出波长实现光阴极激光激发波 长的调控。在激光光路中引入起偏器实现光阴极激光激发偏振态的调控。

激光激发系统包括激光器、反射镜和位移装置，激光器发出激光束至反射镜，反射镜安 装在位移装置上，由位移装置带动反射镜移动，从而带动激光束光路移动，实现激光束的入 射位置连续变化。

真空腔室采用无磁金属材料，真空腔室内的真空度优于5x10^-9τ。真空腔室的表面通过法 兰口连接真空抽气系统和真空度测量系统，将真空腔室的内部抽真空，通过实时准确的真空 度测量，维持并控制真空腔内的真空度。

法兰口采用刀口法兰，中间用铜圈密封，这种结构能够实现高温条件下的超高真空。

光电子成像系统包括透明的观察窗、荧光屏和图像采集装置；观察窗通过观察窗法兰口 安装在真空腔室的表面；荧光屏通过安装架安装在观察窗的内侧；图像采集装置通过安装架 安装在观察窗的外侧。观察窗采用石英玻璃；荧光屏采用钇铝石榴石(Ce:YAG)单晶荧光屏， 荧光屏在光电子轰击下会发光，用于获得光电子横向分布图像。在真空腔室外安装图像采集 装置，记录光电子轰击形成的图像。采用单晶荧光屏与普通玻璃蒸镀荧光粉的荧光屏相比具 有以下好处：荧光屏亮度更高，有利于成像细节的观察；表面不会吸附很多气体，有利于超 高真空的保持；单晶材料的荧光屏寿命比荧光粉的荧光屏要长得多。

数据采集系统通过在真空腔室表面的数据采集法兰口与真空腔室连接，包括真空机械传 动杆、位置调节架、引线电极、法拉第杯、电流表和计算机；其中，通过数据采集法兰口安 装真空机械传动杆，真空机械传动杆的一端位于真空腔室内，连接位置调节架，在位置调节 加上安装法拉第杯；真空机械传动杆的另一端位于真空腔室外，通过在真空腔室的外部操作 真空机械传动杆，调控位置调节架的位移。法拉第杯是一个金属小筒，两端分别封口，在其 中的一个端面开一个小孔，当光电子通过小孔进入金属小筒，会完全被金属小筒吸收，用于 测试光电子束流大小。数据采集法兰口内设置有引线电极，引线电极的一端在真空腔室内， 与固定在法拉第杯尾部的金属导线连接；引线电极的另一端在真空腔室外，连接至真空腔室 外部的电流表，电流表连接至计算机，可以实时记录采集到的束流数据。在真空腔室外部， 通过真空机械传动杆的位置调节旋钮可以调控位于真空腔室内部的法拉第杯的位置，使得法 拉第杯位于光阴极组件的正前方，即光阴极组件的阳极正前方，此时将实现总光电子发射束 流的测量。

在数据采集法兰口旁边设置检查窗法兰口，安装检查窗，用于观察并检测光阴极组件的 安装位置、激光束入射至聚焦面镜及光阴极材料表面的位置。

进一步，在真空腔室的表面，开设多个固定激光入射法兰口，呈规律性间隔分布，在每 一个固定激光入射法兰口内安装有透明的材料形成窗口，用于引入在真空腔室外部的激光器 所发射的激光，通过控制激光光路，使得激光从不同位置的固定激光法兰口上的透明的窗口 入射至光阴极组件中的光阴极材料表面，实现分立的不同激光入射角度。固定激光入射法兰 口作为调节激光入射角度的备用系统，在使用该激光入射窗口时，聚焦面镜可以保留在原处， 此时仅一半窗口可以使用；若使用所有窗口，则需要将聚焦面镜取下。

本发明的另一个目的在于提供一种光阴极材料光电子发射性能的评测方法。

本发明的光阴极材料光电子发射性能的评测方法，包括以下步骤：

1)将预测量的光阴极材料通过光阴极材料固定架安装到光阴极组件中，再将光阴极组件 通过机械安装法兰口进入真空腔室内，并安装在其内部的连接固定架上，最后将机械 安装法兰口与真空腔室连接固定；

2)用导电连接线将电源系统与供电连接法兰口的真空腔室外部电极对应连接好，为光阴 极组件中的光阴极材料提供阴极电压，并将阳极接地，利用导电连接线将真空腔室的 表面接地；

3)启动真空腔抽气系统，对超高真空腔室内部抽真空，同时，通过真空度测量系统实时 测量超高真空内的真空度；

4)当真空腔的真空度优于5×10^-9τ时，打开电源系统向光阴极材料供电，使光阴极材料的 表面与阳极之间产生均匀电场，缓慢加载阴极电压，最后使得电场强度达到兆伏特每 米量级；

5)打开激光激发系统产生激光束，并适当调节光路，使激光束入射至预测量的光阴极材 料的表面，此时，光阴极材料产生光电子发射，在电场的作用下，光电子将穿越阳极 的金属栅网结构的网孔，经过真空腔室的等电势自由场，轰击到对面的荧光屏上或法 拉第杯中，分别形成光电子横向分布图像，即荧光屏上的横向位置代表光阴极材料发 射光电子的横向分布，或测量得到总光电子发射束流；

6)通过调整激光束的入射位置，改变入射至聚焦面镜的位置，从而改变入射角度，并通 过调整激光光束的波长和偏振态，在不同的测量条件下利用图像采集装置记录光电子 横向分布图像，利用法拉第杯测量总光电子发射束流，通过光电子横向分布图像，得 到光电子角分布数据；再利用电场参数推演得到光电子横向动量分布数据以及热发射 度数据；进而利用总光电子发射束流参数推演得到光电子发射亮度数据，由此，可以 在不同激光入射角度、不同激光波长、不同激光偏振态测量条件下，测量得到总光电 子发射束流、光电子角分布、光电子横向动量分布以及由上述参数推演得到的亮度和 热发射度；

7)光阴极材料的光电子发射性能参数测量完成后，缓慢降低阴极电压，最后关闭向光阴 极材料提供阴极电压的电源系统。

本发明用于光阴极材料光电子发射性能的快速测试，将与测量的光阴极材料装配进入光 阴极组件后无需二次调节，且仅需启动一次真空抽气系统，待真空腔室内达到超高真空后便 可原位测量得到光电子发射特性的全部参数，测试内容全、周期短、效率高。

本发明的优点：

本发明通过在真空腔室内部设置聚焦面镜，聚焦面镜的焦点位于光阴极材料的表面，通 过调节激光束的入射位置，实现入射角度的连续变化，并且可以改变激光的波长和偏振态， 实现在不同激光入射角度、不同激光波长、不同激光偏振态测量条件下，测量得到总光电子 发射束流、光电子角分布、光电子横向动量分布以及由上述参数推演得到的亮度和热发射度。 本发明的方法省去分立角度入射激光激发模式中频繁在真空腔室外部调节激光光路的一系列 繁琐步骤，仅需要改变激光束的位置便可改变入射角度，且克服了分立角度入射带来的角度 不连续问题。

附图说明

图1为本发明的光阴极材料光电子发射性能评测装置的结构示意图，其中，(a)为侧视图， (b)为沿(a)中A-A’线的剖面图；

图2为本发明的光阴极材料光电子发射性能评测装置的光阴极组件和聚焦面镜的局部放大的 剖面图；

图3为本发明的光阴极材料光电子发射性能评测装置的激光束的入射位置与入射角度之间关 系的原理图；

图4本发明的光阴极材料光电子发射性能评测装置的供电连接法兰口的示意图；

图5为本发明的光阴极材料光电子发射性能评测装置的数据采集系统的局部的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例的光阴极材料光电子发射性能评测装置包括：真空腔室1、真空 抽气系统10、真空度测量系统、光阴极组件2、电源系统、光电子成像系统3、数据采集系 统8、激光激发系统4及聚焦面镜5，聚焦面镜5采用旋转抛物面反射镜；其中，真空腔室1 的表面分别通过法兰口连接真空抽气系统10和真空度测量系统；在真空腔室1表面分别设置 有机械安装法兰口21和供电连接法兰口71，光阴极组件2通过机械安装法兰口21进入真空 腔室1内，并安装在其内部的连接固定架26上，在供电连接法兰口71内设置有阳极电极63 和阴极电极62，电极的一端在真空腔室1内，连接至光阴极组件2，电极的另一端在真空腔 室1外部，与电源系统相连接；在真空腔室1的表面与光阴极组件2相对，通过观察窗法兰 口31安装光电子成像系统3；在真空腔室1内设置旋转抛物面反射镜，光阴极组件2中的光 阴极材料22的表面平行于旋转抛物面反射镜的旋转对称轴，并且旋转抛物面反射镜的焦点位 于光阴极材料22的表面；在真空腔室1的表面设置有激光入射法兰口41，安装石英玻璃形 成入射窗口，位于真空腔室外的激光激发系统4发出激光束通过入射窗口平行于光阴极材料 22的表面入射到旋转抛物面反射镜上，反射至焦点处的光阴极材料22的表面；通过改变激 光束与光阴极材料表面之间的距离改变入射至光阴极材料表面的角度；数据采集系统8设置 在真空腔室1的顶部，旁边设置检查窗法兰口91。

光电子成像系统包括透明的观察窗32、荧光屏33和图像采集装置；观察窗32通过观察 窗法兰口31安装在真空腔室的表面；荧光屏33通过安装架安装在观察窗32的内侧；图像采 集装置通过安装架安装在观察窗的外侧。

激光入射法兰口41内安装石英玻璃形成入射窗口，入射窗口的口径大于旋转抛物面反射 镜垂直于旋转对称轴方向的尺寸。

在本实施例中，聚焦面镜5采用旋转抛物面反射镜，旋转抛物面反射镜的焦点位于光阴 极材料的表面，准焦距为50mm，旋转对称轴方向镜面投影长度为22.75mm，垂直于旋转对 称轴的平面(也即光阴极组件中光阴极材料的表面或阳极的表面所在平面)投影长度为43mm， 自正焦面与旋转抛物面的交线向内(沿抛物面的旋转对称轴指向顶点方向定义为内侧方向)2 mm之间镜面部分切除，避免阻挡光电子发射。在真空腔室1的表面，开设8个固定激光入 射法兰口61，呈规律性间隔分布，以光阴极材料的中心为中心，相邻的两个固定激光入射法 兰口的间隔角为18度或15度。在每一个固定激光入射法兰口内安装有石英玻璃形成激光入 射固定窗口，用于引入在真空腔室外部的激光器所发射的激光，激光从不同的激光入射固定 窗口入射到光阴极材料上，入射至光阴极材料表面的角度不同，实现分立的不同激光入射角 度。

如图2所示，光阴极组件2包括：光阴极材料22、阳极23、光阴极材料固定24架和阳 极固定架25；其中，阳极23为金属栅网结构，设置在阳极固定架25上；光阴极材料22设 置在光阴极材料固定架24上，光阴极材料固定架24采用介电材料；光阴极材料固定架24和 阳极固定架25分别通过连接件连接至真空腔室1内部的连接固定架26上，从而将光阴极组 件安装在真空腔室1内。光阴极材料与阳极之间的几何位置确定，间距5 mm，从而平行于旋 转对称轴入射的激光束，入射到光阴极材料22的表面，产生光电子轰击到光电子成像系统3 上。光阴极材料22和阳极23在真空腔室内部的一端分别通过导线连接至供电法兰口71内的 阴极电极72和阳极电极73，阴极电极72在真空腔室外部的一端连接至电源系统，阳极电极73 在真空腔室外部的一端接地。供电后，预测量的光阴极材料的表面与阳极之间将形成强度为 兆伏特每米量级的均匀电场，用于纵向加速光电子以压缩光电子横向分布范围。

如图3所示，光阴极材料22平行于旋转抛物面反射镜的旋转对称轴，焦点位于光阴极材 料22的表面。激光激发系统4包括激光器42、反射镜43和位移装置44，激光器42发出激 光束至反射镜43，反射后入射至旋转抛物面反射镜，反射镜43安装在位移装置44上，由位 移装置44带动反射镜43沿垂直于旋转对称轴的方向移动，从而带动激光束光路移动，实现 激光束与光阴极材料22的表面之间的距离L的连续变化。连续改变激光束与光阴极材料22 表面之间的距离L将连续改变光束入射至光阴极材料表面的入射角度θ，由此实现激光束入 射至光阴极材料表面的角度的连续调控。

如图4示，供电连接法兰口71采用刀口法兰，中间用铜圈密封，通过陶瓷74封接阴极 电极72和阳极电极73，阴极电极72和阳极电极73的一端在真空腔室内，分别连接至光阴 极组件的光阴极材料22和阳极23，另一端在真空腔室外，阴极电极72的另一端连接至电源 系统，用以为光阴极材料22提供阴极电压，阳极电极73的另一端与地连接。

如图5所示，数据采集系统8通过在真空腔室的表面的数据采集法兰口81与真空腔室连 接，包括真空机械传动杆82、位置调节架83、引线电极、法拉第杯84、电流表和计算机。 通过数据采集法兰口81安装真空机械传动杆82，真空机械传动杆82的一端位于真空腔室1 内，连接位置调节架83，在位置调节加上安装法拉第杯84；真空机械传动杆82的另一端位 于真空腔室1外，通过在真空腔室1的外部操作真空机械传动杆，调控位置调节架83的位移。 法拉第杯84是一个金属小筒，两端分别封口，在其中的一个端面开一个小孔，当光电子通过 小孔进入金属小筒，会完全被金属小筒吸收，用于测试光电子束流大小。数据采集法兰口内 设置有引线电极，引线电极的一端在真空腔室内，与固定在法拉第杯尾部的金属导线连接； 引线电极的另一端在真空腔室外，连接至真空腔室外部的电流表，电流表连接至计算机，可 以实时记录采集到的束流数据。在真空腔室外部，通过真空机械传动杆的位置调节旋钮的真 空螺纹85推动真空机械传动杆，实现真空腔室内外的机械传动，从而可以调控位于真空腔室 内部的法拉第杯的位置，使得法拉第杯位于光阴极组件的正前方，即光阴极组件的阳极正前 方，此时将实现总光电子发射束流的测量。在位置调节架83上，安装位置调节杆86，在安 装光阴极组件及启动真空抽气系统之前，调节位置调节杆86，实现法拉第杯位置对准，使法 拉第杯小孔的位置处于连接固定架26的机械中心轴上。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技 术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是 可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求 书界定的范围为准。