在 TiO2薄膜基底上制作多碱光电阴极, 发现多碱光电阴极制作工艺无法正常进行, 多碱光电阴极的颜色为暗黑色, 并且阴极灵敏度非常低, 而正常的多碱光电阴极应为红褐色。其中 TiO2薄膜基底利用原子层沉积(ALD)工艺制备在玻璃窗上, 并且具有锐钛矿晶体结构。X射线衍射仪(XRD)分析发现, 制作多碱阴极后的 TiO2薄膜样品锐钛矿衍射峰基本消失, 另外 X射线光电子能谱(XPS)分析发现该 TiO2薄膜样品不同深度均存在 Na元素, 由此表明是 Na元素渗透到 TiO2薄膜中, 破坏了薄膜的晶体结构, 并且导致多碱光电阴极灵敏度非常低。为此提出了一种在制作多碱光电阴极之前, 在 TiO2薄膜上利用 ALD工艺制作一层 Al2O3钝化膜的方法。经过实验验证, 证实该方法可以有效避免 Na元素渗透到 TiO2薄膜, 同时多碱光电阴极制作过程可正常进行, 多碱光电阴极的颜色为红褐色, 阴极灵敏度超过 800 .A/lm。这为将来深入研究采用 TiO2薄膜作为多碱光电阴极的减反膜打下了基础。

测量了未经Cs-Sb激活的Na2KSb膜层和经过Cs-Sb激活的Na2KSb(Cs)膜层的光谱反射率.测量结果表明:两种膜层在200~700 nm波长范围内光谱反射率基本相同，因此可以推断出这两种膜层的折射率也基本相同，说明经过表面Cs-Sb激活的Na2KSb(Cs)膜层内部的成份基本未发生变化，两种膜层的光程差基本相同；推断出Na2KSb膜层表面的Cs-Sb层很薄，其表面激活过程是一种表面效应.对Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层进行了XPS能谱分析，测量结果表明Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层表面除主要存在Na、K和Sb三种元素之外，还存在C、O以及少量的Cs元素；Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层表面存在C和O的原因是在样品解封的过程中受到了污染.对Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层表面进行时间为10 s的氩离子刻蚀，再进行XPS分析，结果表明能谱中不再出现Cs原子的谱峰.对Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层表面进行总时间为600 s的氩离子刻蚀，XPS能谱中出现了Si原子的谱峰，说明氩离子已经刻蚀到阴极玻璃窗的表面.根据刻蚀时间分析，Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层表面存在的Cs原子层的厚度约为3 nm，并且该Cs原子层只是存在于多碱阴极膜层的表面，并未深入到多碱阴极的膜层内部，这也说明Na2KSb膜层的表面Cs激活是一种表面效应.测量了未经过Cs-Sb激活和经过Cs-Sb激活的两种多碱阴极样品的荧光谱，测量结果表明：经Cs-Sb激活的多碱阴极样品与未经过Cs-Sb激活的多碱阴极样品相比，其荧光谱的峰值强度有所增加，而荧光谱的峰值波长却有所减小.说明Na2KSb多碱阴极在Cs-Sb激活之后，跃迁电子的数量有所增加，同时跃迁电子的能级也有所提高，这种现象可以解释为多碱阴极在激活过程中的“体积”效应.所以多碱阴极在表面Cs激活过程中，既有表面效应，又有“体积”效应，而这种“体积”效应是指Na2KSb膜层内部的能带结构变化，并非Cs原子扩散到Na2KSb膜层内部.

测量了未经过 Cs激活、经过 Cs激活以及经过 Cs-Sb激活的三种多碱阴极的光谱响应及荧光谱。测量结果表明, Na2KSb阴极膜层经表面激活之后, 阴极灵敏度和长波截止波长均有所增加, 但荧光谱的峰值波长和峰值荧光强度基本保持不变。长波截止波长的增加说明逸出功降低, 因此多碱阴极 Na2KSb膜层经 Cs激活之后, 阴极灵敏度提高和长波截止波长增加的原因是逸出功的降低。 Na2KSb膜层同时经过 Cs-Sb激活之后, 阴极灵敏度和长波截止波长较仅仅经过 Cs激活的多碱阴极有进一步更大幅度的提高和增加, 但同时荧光谱的峰值波长向短波方向移动, 峰值荧光强度增加。荧光谱的峰值波长向短波方向移动, 说明跃迁电子的能级有所升高, 而荧光谱的峰值强度增加, 意味着跃迁电子的数量增加。多碱阴极 Na2KSb膜层经过 Cs-Sb激活之后, 跃迁电子的数量增加以及跃迁电子的能级升高, 对阴极灵敏度的提高而言, 所取得的作用相同。因此多碱阴极 Na2KSb膜层经过 Cs-Sb激活之后, 阴极灵敏度和长波截止波长提高的原因除了表面逸出功降低之外, 还有跃迁电子数量增加以及跃迁电子能级提高的原因。多碱阴极表面电子逸出机理至今仍未定论, 因此要进一步提高多碱阴极的灵敏度, 需要进一步研究多碱阴极表面激活过程中的客观规律, 为进一步改进多碱阴极的制作工艺, 提高多碱阴极的灵敏度提供理论指导。

测量了三代像增强器和超二代像增强器的阴极光谱反射率, 结果表明在 500～800 nm波长范围内, GaAs阴极的平均光谱反射率仅为 6.5%, 而 Na2KSb阴极的平均光谱反射率却高达 22%。采用减反技术之后, Na2KSb阴极的平均光谱反射率降为 10%, 与 GaAs阴极相比还有一定的差距, 因此还有进一步改进和提高的空间。测量了三代像增强器和超二代像增强器光电阴极的荧光谱, 结果表明在 785 nm波长激光的激发条件下, GaAs阴极的荧光谱峰值波长与 Na2KSb阴极的荧光谱峰值波长基本相同, 但荧光谱半峰宽和峰值强度却区别很大。说明 GaAs阴极和 Na2KSb阴极在吸收 785 nm波长光子后, 所激发的电子跃迁的能级基本相同, 但跃迁电子的数量区别却很大。 GaAs阴极荧光谱的半峰宽较窄, 说明 GaAs阴极的晶格较 Na2KSb阴极的晶格更完整。当 Na2KSb阴极的膜层厚度从 180 nm变为 195 nm之后, 由于跃迁电子距真空界面的距离增大, 因此导致短波的量子效率减小。尽管膜层厚度加厚, 长波光子的吸收更充分, 但因受到电子扩散长度的限制, 长波量子效率仅仅略有增加。这说明 Na2KSb阴极的电子扩散长度远远小于 GaAs阴极的电子扩散长度。GaAs阴极表面吸附 Cs-O层之后, 表面电子亲和势会降低, 而多碱阴极表面吸附 Cs-Sb层之后, 不仅表面电子亲和势会降低, 而且跃迁电子的能级会提高, 跃迁电子的数量也会增加, 这说明多碱阴极在进行表面 Cs激活之后, 阴极膜层内部的能带结构发生了变化。所以要提高多碱阴极的灵敏度, 除了要控制好表面的 Cs激活工艺之外, 还需要控制好 Na2KSb基础层的结构。只有一个结构良好的 Na2KSb基础层, 在 Cs激活之后, 能带结构的变化才会有利于跃迁电子能级的提高。

论述了光致荧光的特点以及微光像增强器多碱光电阴极光致荧光的测量原理, 测量了光纤面板输入窗多碱光电阴极的荧光谱. 测试结果表明, 光纤面板窗的多碱阴极的荧光谱不是一条光滑的高斯型曲线, 而是在一条高斯型曲线上叠加了一些小的干涉峰的曲线. 原因是光纤面板窗所传输的荧光中, 有两束特殊的光线. 一束光为准直光, 另一束光为入射角刚好等于全反射临界角的反射光. 这两束光具有固定的相位差或光程. 当这两束光的相位差相差λ的整数倍时, 它们将干涉并产生干涉加强峰; 当这两束光的相位差相差1/2λ的奇数倍时, 它们将干涉并产生干涉减弱峰. 如果在荧光谱的峰值波长处刚好产生干涉加强峰, 那么所测量的峰值荧光强度较其固有的峰值荧光强度要高; 反之, 如果在荧光谱的峰值波长处刚好出现干涉减弱峰, 那么所测量的荧光强度就小于其固有的荧光强度. 另外由于受到干涉的影响, 荧光曲线半峰宽也不能精确确定,所以在分析光纤面板窗光电阴极的荧光谱时, 要考虑到干涉因素的影响.

通过测量超二代像增强器多碱阴极的光谱反射率和透射率，根据能量守恒定律计算得到了多碱阴极的光谱吸收率.结果表明，只有当光子的能量大于1.333 eV以后，多碱阴极的吸收率才开始快速增大.这说明多碱阴极的光谱吸收存在一个1.333 eV的长波吸收限，入射光的光子能量如果小于该吸收限，多碱阴极将不吸收.在多碱阴极的表面电子亲合势进一步降低的情况下，多碱阴极光电发射的长波理论阈值由长波吸收限所决定.多碱阴极在吸收光子之后的电子跃迁过程中，跃迁电子的能量增加小于所吸收入射光子的能量，即存在一个“能量损失”.光子的能量越高，所激发的跃迁电子所处的能级越高，能量损失越大.同时光子的能量越高，跃迁电子所处的能级越高，电子跃迁的几率越低.多碱阴极的量子效率由吸收率、跃迁几率和跃迁能级、扩散过程中的能量损失等因素共同决定，因此多碱阴极的量子效率存在长波阈的同时也存在短波阈.多碱阴极的量子效率在2.11 eV达到最大值之后，随着光子能量的增加而单调减小，在3.6 eV时，量子效率减小到零.多碱阴极在3.6 eV时的吸收系数仍然很高，但由于电子跃迁的几率低，同时电子扩散过程中的能量损失大，导致尽管多碱阴极对短波具有较高的吸收系数，但量子效率仍然较低.因此对多碱阴极所吸收的光子能量中，转换成为光电导、晶格热振动等其他非光电发射形式能量的比例而言，短波较长波高，对光电发射的贡献率而言，短波较长波低.

测量了超二代像增强器多碱阴极的光谱反射率和透射率, 计算了多碱阴极的光谱吸收率。从光谱吸收率看出, 当波长大于 850 nm以后, 多碱阴极的吸收率下降很快, 但当波长大于 915 nm之后, 吸收率的下降变慢, 同时吸收率低于 5%。这说明多碱阴极的 Na2KSb膜层存在一个 915 nm的长波吸收限, 入射光的波长如果大于该吸收限, 多碱阴极将不吸收。多碱阴极在吸收光子之后的电子跃迁过程中, 跃迁电子的能量增加小于所吸收的光子能量, 即存在 “能量损失”。光子的能量越高, 跃迁电子的能级越高, 能量损失越大。超二代像增强器 Na2KSb阴极膜层在 Cs激活之后, 荧光的峰值波长向短波方向移动, 发生 “蓝移”现象, 表明多碱阴极 Na2KSb膜层在进行表面 Cs激活之后, 跃迁电子的能级有所升高。多碱阴极无论是单独采用 Cs激活还是采用 Cs、Sb 同时激活, 光谱响应的长波阈值基本相同, 但光谱响应却不相同, 原因是采用 Cs、Sb同时激活时, Na2KSb阴极膜层存在 “体积”效应。由于 Na2KSb阴极存在长波吸收限, 对应的光子能量为 1.35 eV, 因此如果多碱阴极的逸出功进一步降低并且低于 1.35 eV时, 尽管多碱阴极的光谱响应会进一步提高, 但光谱响应的长波阈并不会向长波方向延伸, 此时多碱阴极光谱响应的长波阈值由其长波吸收限所决定。

本文介绍了多碱光电阴极的特点及其在微光像增强器中的应用，叙述了光致荧光的原理，探索了利用光致荧光方法来研究多碱阴极Na2KSb膜层电子跃迁几率的方法，并测量了两个不同灵敏度多碱阴极的荧光谱及同一个多碱阴极在工作和非工作两种状态下的荧光谱.测试结果表明，多碱阴极的荧光强度与其电子跃迁的几率及阴极灵敏度成正比，同时多碱阴极在工作状态下，荧光强度比非工作状态下有所降低，原因是一部分跃迁电子逸出多碱阴极产生光电发射，而这部分电子不再回到基态，因此不再发出荧光.另外本文还测量了多碱阴极在不同波长激光激发条件下的荧光谱.结果表明，长波激发与短波激发相比，长波激发所获得的荧光强度更高，这说明长波激发产生跃迁电子的几率高，同时荧光谱峰值波长与激光波长的偏移较小，因此跃迁电子数多且能量损失小，有利于光电发射.将多碱阴极的荧光谱与多碱阴极的量子效率相比较，看出跃迁电子数量和所处能级这两个对光电发射过程有影响的关键因素中，能级因素对光电发射过程的影响更大.但对多碱阴极而言，由于短波激发时的电子跃迁几率低于长波激发时的电子跃迁几率，跃迁电子扩散过程中的能量损失较大，因此短波的量子效率随波长的增加而增加.实践证明，光致荧光是研究多碱阴极光电发射过程的一种有效手段，通过对多碱阴极荧光谱的研究，进一步揭示了多碱阴极的光电发射的机理，为进一步改进工艺和提高多碱阴极的灵敏度提供了重要的参考价值.

介绍了多碱光电阴极Na2KSb膜层荧光谱的测量原理, 测量了两个Na2KSb膜层样品在不同半径位置的荧光谱.测量数据表明, Na2KSb膜层荧光谱的峰值波长从阴极面的中心到边缘逐步增大, 同时峰值荧光强度也逐步增强.原因是阴极窗表面的锑原子密度从中心向边缘逐步减小.当Na2KSb膜层中的锑超过Na2KSb所需的化学计量比时, 荧光峰值波长向短波方向移动, 同时荧光强度减弱; 当Na2KSb膜层中的锑达到Na2KSb所需的化学计量比时, 荧光峰值波长达到最大, 同时荧光强度也达到最强.通过荧光测试, 可以判断Na2KSb膜层的化学计量比是否达到2∶1∶1或膜层中的锑是否过量.同时通过测量阴极面上不同位置的荧光谱, 可以测量Na2KSb膜层在阴极面上的组份均匀性.锑在阴极面上的原子密度越均匀, 利用整个阴极面上的光电流变化来监控阴极膜层生长的方法就更准确, 组份均匀性也更好, Na2KSb膜层的厚度可以更厚, 对长波可见光的吸收更多, 阴极的灵敏度也更高.因此在像增强器多碱阴极的制造过程中, 要尽量使蒸发在阴极窗表面的锑原子密度均匀, 这样才能获得更高的阴极灵敏度.

介绍了多碱光电阴极的光学性能和光谱反射率特性，测量了多碱阴极的光谱反射率曲线.该曲线与普通光学膜层光谱反射率曲线相比，形状较不规则，原因是多碱阴极膜层存在光吸收.光谱反射率曲线上的干涉峰是入射光在玻璃与阴极膜层界面反射和在阴极膜层与真空的界面反射的两束光发生干涉的结果.根据干涉的原理，如果阴极膜层所反射的两束光的光程差为二分之一波长的偶倍数时，光谱反射将出现干涉加强峰；如果阴极膜层所反射的两束光的光程差为二分之一波长的奇倍数时，光谱反射将出现干涉减弱峰.根据超二代像增强器光谱反射干涉峰对应的波长，可以计算出其阴极膜层的厚度约为191 nm，比二代像增强器阴极膜层的厚度增加了38%.多碱阴极膜层厚度是影响多碱阴极灵敏度的一个关键参量，仅仅靠人眼观察阴极膜层颜色的方法不准确.实践证明，利用光谱反射的方法来计算阴极膜层厚度的方法简单有效.如果在多碱阴极的制作过程中进行光谱反射率的监控，那么将可以精确控制阴极膜层的厚度，对多碱阴极的研究将会更加深入，多碱阴极的灵敏度也将会得到进一步的提升.