光电倍增管的光阴极技术

光电倍增管是一种真空管，由光入射窗、光阴极、倍增级和阳极组成。光子通过光窗照射到光阴极上，光阴极发生光电效应产生光电子，然后被加速和聚集，进入倍增系统，在倍增极电子通过二次发射发生倍增，二次发射在每个倍增极上重复，导致阳极接收到的电子团倍增106到107倍，甚至更多。

碱性光阴极

与其他光探测器相比，光电倍增管由于有低噪声电子倍增器，所有在信噪比方面具有优异的特性。为了进一步提高信噪比，获得更高的灵敏度，光阴极的量子效率也要进一步提高。图2显示了量子效率和目前使用的典型光阴极的波长之间的关系。

光阴极能带模型

因为光阴极是一种半导体，因此其工作原理可以用能带理论来描述，能带理论中有能量带隙（Εg）、电子亲和势（Εa）、费米能级（Εf）、功函数（φ）等术语。图4显示了一种碱阴极能带模型。当一个光子击打光阴极，价带中的电子吸收光子能量（hv），被激发到导带，往光阴极表面扩散。如果这些电子的能量超过了真空势垒，那么他们就被发射到真空中。该电子发射过程被W.E. Spicer 用下式表达。

这叫做Spicer的三步模型，用三步解释了光电子发射过程：光吸收过程、电子扩散过程、逸出过程。应用这个表达式，可以通过增加扩散长度L来增强光阴极的晶体性质，还可以通过增加Ps来降低电子亲和势，来提高量子效率。

高灵敏度碱金属光阴极

改进光阴极的活化过程，成功地增强了碱阴极的量子效率。该光阴极中，光电面在峰值波长处，平均量子效率可以达到43%，并被命名为顶级双碱（ultra bialkali），简称UBA。除了顶级双碱，我们还研发了另一种灵敏度适中的光阴极，名为"超级双碱"，简称SBA，其在350nm波长处的平均量子效率为35%。图5显示了UBA、SBA和普通双碱光阴极的典型光谱响应特性。

半导体光阴极的发展

除了在碱锑化物光阴极上的提升，研究人员亦非常热衷如GaAs等的半导体光阴极的研发。这项研究发现，经Cs-O活化处理的半导体晶体表面形成电双层铯氧化物，会引起表面能带曲线向下弯曲，因此电子亲和势有一个负值。这种光阴极被称为NEA（negative electron affinity，负电子亲和势）光阴极。图6显示了一种被Cs-O活化后的单晶体GaAS的能带模型。由于NEA允许在导带底部的电子逸出，它的灵敏度可扩展到电子带隙对应的900nm。

由能带模型推断，能量带隙较高的半导体会有较大的NEA。所以随着GaAs光阴极的研究，对GaAsP光阴极也开始了研究。图7显示了GaAsP 的能带模型。目前，GaAsP光阴极的峰值量子效率在实际应用中可以超过50%。

近红外光阴极

为了在波长超过1.1um的波段获得足够的灵敏度，滨松研发了InP/InGaAs光阴极。这种光阴极通过在半导体表面蒸镀一层金属膜（比如银）（大概50埃厚度），来形成一个肖特基结。在肖特基电极和半导体晶体背面加偏置电压，这样在光阴极中形成一个电场，大大地降低了表面势垒，使光电子加速，并把光电子发射到真空中。

图8（a）和（b）显示了异质结场联合光阴极的光电子发射能带模型。当不加偏置电压时，由于InGaAs 光子吸收层和InP电子发射层间导带势垒ΔEc的存在，吸收层被激发的光电子不能够到达发射表面，如图8（a）所示。然而，当施加某个偏置电压时，在银肖特基电极和光阴极内部形成耗尽层，耗尽层最终到达InGaAs光吸收层和InP电子发射层之间的界面，因此在吸收层被激发的电子可以跨越势垒到达InP电子发射层。此外，光电子在InP电子发射层内被加速，使得其从导带底部Γ到更高能级带L，并且在维持高能级的情况下从发射表面被发射到真空中。

这种光阴极涵盖了很宽的光谱范围，从紫外的300nm到近红外的1600nm，与InGaAs的带隙相对应。整个光谱响应范围内几乎可以获得平滑的2%的量子效率。

适用于低温下操作的光阴极

"暗物质"在天体物理学研究中是一个热门话题。有人曾建议利用光电倍增管来捕获微弱的紫外光子来探测暗物质。这些光子是由于偶然的暗物质和闪烁体原子碰撞而发射出来的。液态氙（-108℃）或者液态氩（－186℃）被用作闪烁体。在如此低温下，光阴极的表面电阻变得很大，导致光阴极电流受限。由于面电阻增大造成的输出线性特性变差，这对于很多测试是非常致命的。滨松研发的适用于低温下操作的光阴极，则可解决这一难题。

传统的在低温下运行的光阴极在阴极底部有一层铝。图9显示了传统带铝的光阴极和新型低温光阴极的典型光谱响应特性。新型光阴极在420nm的量子效率大概为28%，虽然比SBA光阴极略低，但是比传统光阴极高1.5倍。图10显示了传统带铝的光阴极和新型低温光阴极的线性度的比较。当在-100°C下工作时，传统光阴极的输出线性度在大概0.5nA时开始急速下降，而低温光阴极在1uA时依然保持线性度，这里，线性度定义为输出电流偏离初始值-5%时的电流。

适用于高温操作的光阴极

在油井勘探记录过程中，为了定位油或者天然气存储的位置，探测器需要进入钻孔深达地下2000米（70°C）到3000米（105°C）。这就需要开发能够抵御更高温度的探测器，研究新的碱源技术不仅仅是因为钻井过程中更换新探测器比较困难，也是因为随着钻井深度越来越大，对PMT耐高温的要求也越来越高了。PMT的光阴极在油井勘探的高温下会逐渐溶解，然而，利用Sb-K-Na混合制造的光阴极可以抵御这样的高温。滨松亦开发了可以在200°C下工作超过1000小时的光阴极。该光阴极在室温下也有很低的暗电流，是低光量探测和其他需要低噪声应用的理想选择。

图11比较了传统高温光阴极和新型高温光阴极的输出寿命特性。可以看出，新型光阴极在高温下的工作寿命是传统光阴极的大约8倍。

紫外光阴极

运用GaN半导体，我公司成功生产了世界上首只透射式紫外光阴极。GaN通常是通过在蓝宝石基底上外延生长形成的。而后来开发的运用硅基底的GaN生长技术，使得高质量外延薄膜在硅基底上生长成为了可能。

利用该项技术，硅基底上经缓冲层外延生长形成氮化镓的技术获得突破。该技术使GaN晶体外延生长附着于玻璃窗，后经处理只留下氮化镓薄膜加以使用。我们还使用一种光学清理方法，利用光来清理晶体表面。该技术在波长为280nm处获得了令人满意的21.5%的量子效率。图12显示了GaN光阴极和传统Cs-Te光阴极的典型光谱响应特性。

GaN光阴极目前被用于紫外图像增强器，可以进行低光量探测和包括半导体晶片检测、雷曼光谱仪、高压输电线电量放电检测等技术在内的快速多通道（二维）测量。

现在，尽管PMT的部分工作被半导体探测器取代，但随着PMT光阴极创新技术的发展，PMT具有了更复杂的功能和更多的应用可能。未来PMT还会被广泛在高能物理实验的低光量探测、医学设备、生物技术相关设备、油井探测设备以及天文观察设备等之中。这些应用需要更高的量子效率、更宽的光谱响应范围（延伸到红外区域）以及紫外区域更高的灵敏度。滨松将会继续研发更宽光谱响应范围、更高灵敏度的PMT（QE=100%），以满足这些特殊应用需求。