新型二次电子发射薄膜及其在电子倍增器中的应用研究

To improve performance of electron multiplier used in detection of nuclear, aerospace, defense and precision scientific instruments and other areas, and to achieve high gain, good signal to noise ratio and long life goals at low energy incident electron and low operating voltage, the core issue is how to obtain a material having a stable, high secondary electron emission coefficient (δ) at low energy incident electron.This project using an atomic layer deposition (ALD) technology carries out research on new secondary electron emission films, using insulating material by doping and surface modification to clarify mechanism of the improved δ of the material, to disclose law of high secondary electron emitting material at a low energy of the incident electrons. Through a combination of research and application, doping material and surface modification technology, glass channel surface growth secondary electron emission nano thin film technology and testing and evaluation analysis technology are carried out. For four years, the project is expected to achieve a comprehensive goal, and materialized into the sample for improving the performance of conventional electron multiplier. Therefore, the research results can be widely applied to the photomultiplier tube, the vacuum ultraviolet spectrometer, space probes, night vision and other areas implementations to detect energetic photons and charged particles in a vacuum environment.

为改善核探测、航空航天、国防及精密科学仪器等领域中电子倍增器的性能，实现在低能入射电子和低工作电压下电子倍增器增益高、信噪比好、寿命长的目标，其核心问题是如何获得在低能入射电子下具有稳定的、高二次电子发射系数的材料。本课题利用原子层沉积（ALD）技术，开展新型二次电子发射薄膜的研究，通过对绝缘材料进行掺杂和表面修饰，阐明掺杂元素和表面修饰改善材料二次电子发射特性的微观作用机理，揭示在低能入射电子下获得高二次电子发射材料的规律，通过科研与应用相结合，开展材料元素掺杂和表面修饰技术、玻璃通道表面生长二次电子发射纳米薄膜技术和测试评价分析技术，争取四年内，全面达到项目预期目标，并物化到样品之中，改进传统电子倍增器的性能。本项目研究成果可广泛应用于光电倍增管、真空紫外谱仪、空间探测器、微光夜视以及其它在真空环境中实现含能光子和荷电粒子的探测等领域。

本项目研制背景是提高核探测、航空航天、国防和精密科学仪器等领域中传统电子倍增器的性能，使其在较低的工作电压和入射电子能量下实现高增益、信噪比好、长寿命的目标。课题组经过四年的研究，在材料制备、二次电子发射测试和探测器性能优化等方面取得了较大进展，完成了项目指标要求。课题组利用ALD技术研制了新型二次电子发射薄膜，通过测试薄膜材料的二次电子发射特性参数，提出了一种新的中和方法可以有效解决纳米厚度的绝缘材料的带电问题，获得了很好的测试结果，掌握了制备新型二次电子发射薄膜的技术方法，揭示了元素掺杂和表面修饰改善材料二次电子发射特性的内在机理。课题组利用ALD技术将新型二次电子发射薄膜成功应用于单通道电子倍增器中，显著改善了探测器的性能，镀膜前工作电压为2700V才能达到10的8次方增益，而镀膜后1600V时即可达到相同增益（工作电压降低了1100V！），并且其它各项参数（分辨率≤26%，暗计数率≤0.003个/s，累计拾取电荷量≥15.62C）均优于项目指标要求，为研制高增益、长寿命新型探测器提供了理论基础和实验依据，在核探测、国防及精密科学仪器等研究领域具有重要的科学意义。本项目研究成果在高性能MCP-PMT、质谱仪、真空紫外谱仪、空间探测器、微光夜视等探测与成像领域具有广泛的应用前景。本项目发表了12篇学术论文，其中6篇被SCI收录；已毕业研究生3名，其中博士2名，硕士1名；申请了4项专利，已授权3项。