真空系统用光电阴极技术方案

本发明专利技术涉及一种真空系统用光电阴极，其中，所述光电阴极被构成为接收具有入射波长的电磁辐射并且响应于此而发射电子。所述光电阴极包括具有几何形状的导电结构，所述几何形状包括尖端部分。当用电磁辐射照射导电结构时，尖端部分适合于提供场增强β，其中，β大于约102。所述光电阴极还包括基板，所述基板是电介质基板或包括电介质基板，所述基板支撑导电结构。构。构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】真空系统用光电阴极


[0001]本专利技术涉及一种真空系统用光电阴极。

技术介绍

[0002]光电倍增管(PMT)或多通道板等的真空系统为了实现可见和紫外(UV)范围内的光的检测器而广为人知。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1：WO未审查专利申请公开No.2015/028029

技术实现思路

[0006]技术问题
[0007]光电倍增管用于对非常少量的光进行灵敏检测，进一步低至单光子极限，因此对低光应用很有吸引力。然而，它们吸引人的特性仅在从红光到UV的光谱范围内有用。
[0008]专利文献1公开了一种用于基于强THz脉冲可以通过非微扰非线性相互作用从金属层的表面产生电子的超快场发射这样的原理，检测太赫兹辐射的装置。电子可以通过在金属附近同样被增强的THz场加速到数十eV的动能，并且可以用于氮等离子体的形成等在超快时间尺度上启动碰撞诱导的物理过程。
[0009]因此，改进的光电阴极将是有利的，尤其是对更宽波长范围灵敏的光电阴极将是有利的。
[0010]本专利技术的一个目的是提供现有技术的替代方案。
[0011]特别地，可以将提供一种解决具有受限的操作的波长范围的现有技术的上述问题的真空系统用光电阴极视为本专利技术的进一步的目的。
[0012]技术手段
[0013]因此，上述目的和若干其他目的在本专利技术的第一方面中通过提供真空系统用光电阴极来获得，其中，光电阴极被构成为接收具有入射波长的电磁辐射并且响应于此而发射电子。光电阴极包括具有几何形状的导电结构，该几何形状包括尖端部分。当用电磁辐射照射导电结构时，尖端部分适于提供场增强β，其中β大于约102。光阴极还包括基板，基板是电介质基板或包括电介质基板，基板支撑导电结构。通过使用由太赫兹和红外频率范围内的光子携带的电场，以这种方式形成的光电阴极能够实现有效的场发射。通过构建以下也称为“天线”的导电结构以提供足够高的场增强β，能够通过将能量紧密地集中在天线/真空界面实现电子发射。根据专利技术人的理解，这种约束对电子消除了天线材料与真空之间的电子势能差异，并允许后者从天线到真空进行量子隧穿(发射)。通过使相干电磁辐射撞击天线，这种电子发射过程以非线性方式增强。因此，本专利技术的光电阴极对于例如激光信号的相干信号的检测非常有用。
[0014]本专利技术的场增强可以用多种不同的天线结构/导电结构来实现，如下文进一步详
述的那样，也可以基于光电阴极的期望特性进行选择。例如，一些结构可以在入射电磁辐射的宽波长范围内提供电子发射。可以设计其他结构以对窄带宽应用提供谐振，并且因此在该窄带内具有高灵敏度。
[0015]在本专利技术的光电阴极的一个实施方式中，尖端部分被构成为通过将电场集中在由约束体积V表示的体积中而提供场增强β，
[0016][0017]约束体积是高度亚波长的。光子能量h
·
f和接收到的N个光子的自由空间电场E
THz
之间的相关性也可以基于约束体积V而表示为下述式：
[0018][0019]其中，假设磁和电的贡献与例如真空中的光的情况相等。通过将光子能量约束在一个小体积内，电场强度会增加。因此，约束电场相当于将光子能量约束在其波形中，反过来影响约束体积中的电势图景(electric potential landscape)。
[0020]在本专利技术中，控制发射的起始电流阈值的是隧道势垒宽度。即使对于恒定的光子能量，更高的电场约束也会产生更小的势垒宽度。因此，场增强β优选应该最大化以使隧道势垒宽度尽可能小。这可以通过最小化有效约束体积V来实现。
[0021]未正确地位于金属/真空界面处的电场的部分是不相关的。
[0022]在此，将发射器尖端视为发射区域A
em
。靠近表面的电场使电势向下弯曲，从而产生厚度为w
tu
的隧道势垒。然后将隧道体积定义为V
tun
＝A
em
*w
tu
。位于该体积之外的任何光子能量都不会导致隧道效应，而是会增加发射电子的质动力。
[0023]在此，在物理上不可能将所有进入的能量集中到隧道体积V
tun
，同时确保发射的电子进入真空，并同时确保纳米级的隧道势垒厚度。然而，通过以将尽可能多的光子能量带入隧道体积内的方式尽可能多地约束光子场，可以实现最佳性能。实际中可以实现的体积称为约束体积V。根据文中给出的公式定义，V是体积，其中光子电场处处恒定，并且体积中的积分电磁能等于h*f。这不等于天线的间隙体积，而是越优化的天线越接近。本专利技术人已经表明，对于足够小的间隙，一阶导数dE/dV根据文中的公式表现。这意味着光子能量的很大一部分(但不是100％)位于间隙体积内。
[0024]在本专利技术的光电阴极的一个实施方式中，尖端部分包括两个电极，这两个电极被间隙隔开，该间隙具有间隙宽度。
[0025]具有足够窄的间隙有助于将场约束在尖端部分，从而使V最小。另一方面，对于大间隙值，场很难被约束在间隙中，并且主要以边缘场的形式展开。对于小于垂直于基板的平面中的尖端部分的横截面面积的平方根约4倍的间隙宽度，场约束开始遵循分析预测。因此，间隙宽度应优选选择为大约该值以下。
[0026]在本专利技术的光电阴极的一个实施方式中，间隙宽度在大约1nm
‑
1000nm的范围内，例如大约10nm
‑
500nm，或者进一步大约20nm
‑
100nm。已发现该范围内的间隙宽度可提供良好的场约束。
[0027]在本专利技术的光电阴极的一个实施方式中，两个电极作为第一电极和第二电极而被包括，并且选择第一电极的几何形状以提供第一场约束，并且选择第二电极的几何形状以
提供第二场约束，第一场约束不同于第二场约束。以这种方式，可以使该结构对接收到的电磁辐射的极化和绝对场极性灵敏。
[0028]在本专利技术的一个实施方式中，第一电极可以具有笔直的尖端的几何形状，同时第二电极也可以具有T形几何形状。
[0029]在本专利技术的光电阴极的一个实施方式中，光电阴极被构成为在设计波长接收电磁辐射，设计波长在太赫兹范围或红外范围内。以此方式，可以针对特定波长优化光电阴极的性能。
[0030]在本专利技术的光电阴极的一个实施方式中，光电阴极被构成为接收宽带设计波长范围内的电磁辐射，宽带设计波长范围在太赫兹范围或红外范围内。以此方式，可以针对宽带使用优化光电阴极。
[0031]在本专利技术的光电阴极的一个实施方式中，导电结构具有偶极天线几何形状。这种几何形状的类型特别适合于在天线谐振波长接收电磁辐射。
[0032]在本专利技术的光电阴极的一个实施方式中，导电结构具有开口环几何形状。
[0033]在本专利技术的光电阴极的一个实施方式中，开口环几何形状是双开口环几何形状，其包括具有共同尖端部分和共同间隙的两个相互连接的环。这种结构的类型使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种真空系统用光电阴极，其中，所述光电阴极被构成为接收具有入射波长的电磁辐射并且响应于此而发射电子，所述光电阴极包括：导电结构，其具有几何形状，所述几何形状包括尖端部分，当用电磁辐射照射所述导电结构时，所述尖端部分适合于提供场增强β，β大于约102；以及基板，所述基板是电介质基板或者包括电介质基板，所述基板支撑所述导电结构。2.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，所述尖端部分被构成为通过将所述电场集中在由约束体积V表示的体积而提供场增强β，所述约束体积是高度亚波长的。3.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，所述尖端部分包括两个电极，所述两个电极被间隙隔开，所述间隙具有间隙宽度。4.根据权利要求3所述的光电阴极，其中，所述间隙宽度在约1nm
‑
1000nm、例如约10nm
‑
500nm、或者进一步约20nm
‑
100nm的范围内。5.根据权利要求3或4中任一项所述的光电阴极，其中，所述两个电极作为第一电极和第二电极而被包括，选择所述第一电极的几何形状以提供第一场约束，并且选择所述第二电极的几何形状以提供第二场约束，所述第一场约束不同于所述第二场约束。6.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，所述光电阴极被构成为在设计波长接收所述电磁辐射，所述设计波长在太赫兹范围或红外范围内。7.根据之前权利要求中任一项所述的光电阴极，其中，所述光电阴极被构成为接收宽带设计波长范围内的所述电磁辐射，所述宽带设计波长...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：浜松光子学株式会社，
类型：发明
国别省市：