[发明专利]一种高发射系数耐轰击二次电子发射薄膜结构与制备方法

说明书

本发明公开了一种高发射系数耐轰击二次电子发射薄膜结构与制备方法。本发明采用发射层导电金属含量逐渐减少的新叠层结构能够保证了薄膜良好的导电性，避免了因MgO不导电，引起的荷电现象，导致的二次电子发射停滞，并提高发射系数，同时合理的增厚发射层厚度20％以上，使其具有更好的耐铯离子与电子的轰击能力。本发明发射层采用等离子体辅助下的磁控溅射技术新方法镀制，通过离子源产生的等离子体，增强成膜离子的能量，剥蚀成膜大颗粒，提高膜层的致密度，从而提高耐铯离子与电子的轰击作用。本发明可将电子倍增器的增益指标提升至200万倍以上，将衰减速率指标降低至0.2V/天以下，可将电子倍增器使用寿命指标提升至12年以上。

技术领域

本发明涉及电子倍增器技术领域，具体涉及一种高发射系数耐轰击二次电子发射薄膜结构与制备方法。

背景技术

高精度铯磁选态原子钟是一种一级时间频率标准仪器，广泛应用于通信、导航定位、守时、计量和精确打击等领域。相比较铷原子钟、氢原子钟，磁选态铯原子钟具有长期稳定度好和漂移率小的特点。电子倍增器位于铯原子钟最后，是将微弱铯离子放大用于检测的关键部件。铯原子钟用电子倍增器一般采用9打拿级结构，如图1所示，d1-d9即第一至第九打拿极，第一打拿极d1又称为阴极K，第九打拿极即末打拿极E，A为阳极即收集极，R1-R9为分压电阻。当在阴极K与末打拿极E之间加载负高压时，相邻打拿极间通过分压电阻R产生电场，第一打拿极在铯离子的轰击下发射二次电子，产生的二次电子在电场作用下入射至第二打拿极，激发第二打拿极产生二次电子，以此类推，经多级倍增放大后的二次电子最终被收集极A接收输出用于检测。

制备在打拿级内表面上的二次电子发射薄膜是电子倍增器实现信号放大的关键。图2为电子倍增器打拿级示意图。在使用过程中，电子倍增器打拿级上二次电子发射薄膜因铯离子与电子入射而不断发射电子，最终将铯离子信号转化成电子信号并经多级放大用于铯原子钟锁定。由于能量较高，铯离子与电子的不断入射，实际会造成二次电子发射薄膜的损伤，首打拿级上二次电子发射薄膜承受高能铯离子的不断轰击，轰击能量高达2000eV，后几级打拿级上二次电子发射薄膜承受发射电子的不断轰击，轰击作用随着级数的增大而增强，最后一级所承受发射电子轰击作用最强，能量约300eV，50nA。在高能铯离子与大束流增益电子束的不断轰击下，二次电子发射薄膜发射系数逐渐减小，电子倍增器增益电流值逐渐降低。为稳定增益电流(铯原子钟锁频信号)，需要不断提高加载在电子倍增器上的负高压，提高二次电子发射薄膜的发射系数。然而加载在电子倍增器上的负高压存在极限值，极限值达到，则电子倍增器失效。由于电子倍增器无法更换，电子倍增器失效意味着铯原子钟寿命结束，因此电子倍增器是影响磁选态铯原子钟使用寿命的关键器件。

目前电子倍增器使用寿命短，成为限制铯原子钟使用寿命的瓶颈技术问题，究其根本原因在于目前制备的二次电子发射薄膜发射系数较低，耐铯离子与发射电子轰击能力较差。二次电子发射薄膜发射系数较低，造成电子倍增器起始工作电压高，耐铯离子与发射电子轰击能力较差，造成电子倍增器工作电压增幅较快，由于电子倍增器工作电压存在上限，因此造成目前电子倍增器在较窄的工作电压范围内，较快达到工作电压上限，最终失效。由此可见，制备长寿命电子倍增器的关键在于高发射系数耐轰击二次电子发射薄膜的制备。目前电子倍增器二次电子发射薄膜采用叠层结构，包括粘附层、导电层、发射层，而发射层是固定成分的发射材料与导电材料的混合层，该结构要保证膜层导电性，因此一般膜层厚度较薄，造成耐受轰击能力较弱。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高发射系数耐轰击二次电子发射薄膜结构与制备方法，具有更好的耐铯离子与电子的轰击能力。

本发明的高发射系数耐轰击二次电子发射薄膜结构，包括依次叠加的基底、粘附层、导电层和发射层，形成叠层结构；其中，所述发射层包括发射混合层和纯发射层；其中，发射混合层为MgO与导电金属的混合层，且导电金属物质的量含量由高到低逐渐降低，直至完全变为纯MgO；纯发射层为MgO。

较优的，发射混合层中，导电金属物质的量的初始含量为40％-50％。