负电子亲和势光阴极

表面势垒低于导带底的光阴极（如GaAs:Cs-O)。表面势垒高于导带底的称为正电子亲和势光阴极(如Sb-K-Na-Cs)；表面势垒平于导带底的称为零电子亲和势光阴极（如GaAs:Cs）（图1）。1963年美国R.E.西蒙斯根据半导体能带理论提出负电子亲和势概念。1965年荷兰J.J.席尔和J.范拉制成GaAs:Gs光阴极。人们又制出其他Ⅲ-Ⅴ族化合物光阴极，如InP，GaxIn1-xAs(0x1)，GayIn1-yPzAs1-z（0y1，0z1)等，统称为Ⅲ-Ⅴ族化合物负电子亲和势光阴极.对负电子亲和势光阴极表面吸附的Cs-O层的解释，有异质结和偶极子两种模型（图2）。异质结模型认为，Cs-O表面层是一层体状的、具有N型半导体性质的Cs2O,它与P型Ⅲ-Ⅴ族化合物晶体（如掺Zn的GaSb）接触，形成异质结。此模型给出在表面吸附层内有一界面势垒（约1.2电子伏）。根据偶极子模型，Cs-O层是很薄的Cs偶极子与Cs2O偶极子串联的双偶极子,其厚度约8埃。这与单原子尺度的实验是一致的。光阴极分反射式和透射式两种。入射光的方向与电子发射的方向相反，称为反射式；入射光的方向与电子发射的方向相同，称为透射式。透射式GaAs光阴极的灵敏度最高可达2毫安/流，量子效率(电子/光子)为27％，表面逸出几率为42％,λth为0.9微米。实验证明，Eg1.2电子伏（即λth1微米）的Ⅲ-Ⅴ族化合物的激活条件比较临界，难以获得最佳表面状态而且长波量子效率很低。这是由于Ⅲ-Ⅴ族化合物发射层与Cs-O表面吸附层形成的界面势垒所致。当发射层的Eg1.2电子伏时，被激发到导带底相应能量的电子被这个界面势垒所“阻挡”而不能逸至真空。应用偏压辅助场则使被“阻挡”的电子获得附加的能量，越过这个界面势垒或利用隧道效应穿过这个界面势垒，在外电场的作用下发射至真空中，从而提高λth1微米的量子效率。为了进一步改善电子在晶体内的传输性能，以便得到最优化条件,可将入射光的吸收层与电子发射层分开,这就是转移电子负电子亲和势光阴极。实际上在同一个Ⅲ-族化合物负电子亲和势光阴极中可同时使用偏压辅助场和转移电子的工艺。透射式Ⅲ-Ⅴ族化合物负电子亲和势光阴极的光谱响应范围在一定的条件下是可以设计的，其λth受窗口玻璃或衬底的限制;而λth并决定于发射体的Eg。设计时须注意选择衬底、过渡层（突变或缓变）、发射层、窗口玻璃的光学性能（除发射层吸收入射光以外，其他各层对入射光应尽可能透过）、晶体性能（衬底与外延层的晶格要匹配）、热性能（各层的热膨胀系数要接近）和选择性腐蚀液。反射式Ga0.23In0.77As光阴极的λth约为2.1微米。为使λth再向长波延长,只有选择Eg比较小的三元或四元Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如InPxAs1-x，GaxIn1-xSb，InPxSb1-x，GaxIn1-xAsyP1-y(以上),InPxAsySbz(x+y+z=1)。要实现这些Ⅲ-Ⅴ族化合物负电子亲和势光阴极,首先要解决多层异质外延生长,其次要解决光阴极的冷却（因为λth越长，则热发射越大）夜视技术航空应用AN/AVS-6型飞行员夜视镜，研制公司为BellHawell，视场40o，美陆军先后通过奥米尼巴斯采办计划（OminibusⅠ，OmnibusⅡ,OmnibusⅢ,OmnibusⅣ），进行过四次采办，每次采办，性能都有所改进。目前正大量装备陆军航空部队，用于固定翼飞机或直升机。其中，OmniBusⅣ计划由ITT承包，负责提供改进的AN/AVS-6，改后的AN/AVS-6的核心部分为ITT研制的MX-10160像增强管，这种第三代像增强管使用最新砷化镓技术，工作于近红外区，代替了早期（OmnibusⅠ，Ⅱ，Ⅲ）系统的像增强管，使分辨率提高78%，光灵敏度提高80%，信噪比提高30%，探测距离也大大提高，在星光和更暗的夜光下也能看清物体。ITT也研制和生产AN/AVS-9型（前身为F4949）夜视镜，安装在固定翼飞机飞行员的头盔上。美国和以色列联合提供的AN/AVS-7型夜视飞行图像系统/平视显示器（ANVIS/HUD），是对AN/AVS-6型的改进。该系统安装在飞行员护目镜上部两侧，以获取关键飞行信息，并传输至护目镜，和护目镜的图像叠加后，飞行员可看到综合夜景和关键飞行数据符号体系。配备该装置后，飞行员低头看仪表的时间大大减少，而平视挡风玻璃的时间大大增加。美陆军原计划部署1904部这种系统，到目前为止，已得到大约1800部，目前，正在进一步改进这种系统，以和UH-60A/L和CH-47D平台所使用的改进型全球定位系统（GPS）相兼容。计划今年9月份，将有1200部这种系统进一步升级为高级平视显示器，以取得现场可编程能力、录像能力和更快的反应速度。该系统也用于美海军陆战队。地面部队应用美陆军地面部队用的新一代在役夜视装置主要为单筒眼镜，如由ITT公司提供的AN/PVS-7D和当前最先进的AN/PVS-14。AN/PVS-14结合了第三代超级MX-10160型无源像增强管和航空用夜视镜AN/AVS-6的优点，有助于增强观察、指挥和控制能力，它比AN/PVS-7D分辨率更高（1.3圈/微弧度，而AN/PVS-7D为1.15）、重量更轻（0.4公斤，而AN/PVS-7D为0.68公斤），步兵作战小组指挥员使用起来更加灵活可戴到头上,观察距离也大大增加。1996年，ITT和Litton两公司跟美国陆军通信-电子司令部研究、发展和工程中心所属的夜视和电子传感器委员会（NVESD）签订了Omnibus(OMNI)Ⅴ共同生产合同，来生产AN/PVS-14装置。迄今为止，AN/PVS-14装置已部署了大约3000部。预期到2000年时，ITT公司将向美陆军交付3万部这种装置。OmnibusⅤ还继续为地面战斗应用生产先进的AN/PVS-7D单管夜视护目镜和Litton公司建议的先进的I2改进型AN/AVS-6飞行员护目镜，这些工作希望在2001年3月31日前完成。据Litton公司的首席执行官称，该项目通过适当的改进延长了数千个野外系统的寿命，同时大大地提高了夜视系统的性能。第三代像增强管也是AN/PVS-10狙击手夜晚瞄准具和改进型昼/夜火控和观察装置的必要组成部分。该增强管的采办由陆军特种作战司令部负责，以向特种部队提供实时可见的像增强（I2）图像，既可用于中型和重型阻击步枪瞄准，也可用于战略侦察。第三代像增强（I2）管也用于改进许多现役系统。例如，用于将70年代服役的AN/PVS-4型武器瞄准具改进为当前的AN/PVS-4A型，到目前为止，已改进了1000多个，计划最终要改进5000多个。覆行全球作战任务的一些美军作战部队不久也将把目标定位和观察系统（TLOS）装配于其M-16系列步枪上。这种系统装有一个第三代门控像增强管、两个视域物镜和一个激光发光器。该系统使用近红外低能激光来直接获取目标光电信息。该装置不具有激光对抗能力，但可获取无源式目标信息、提供夜晚隐蔽发光和直接射击瞄准。英国精密仪器公司向德国联邦国防军提供的新型G22狙击步枪的夜晚瞄准具使用二代半像增强管（型号为NSV80Ⅱ），可在漆黑的夜晚清楚地发现目标。该瞄准具安排在标准的光学瞄准镜前面特制的韦弗（Weaver）式导轨上，射手可随意确定眼睛和瞄具的距离，随意调整分划，不改变瞄准点位置，在数秒钟后又可实施射击。技术难点和途径目前，国外像增强夜视仪存在两方面的技术局限：（1）当明亮的光照在这种夜视仪上会造成远处或附近的微光图像丢失；（2）像增强管使用平面式成像面(即位于焦平面上的为平面式微通道板)，这样会造成光畸变，使目前为部队所使用的夜视仪的视域最多为400×400，且人眼难以适应。美国洛斯·阿拉莫斯实验室正采用如下途径来解决上述问题：（1）将微通道板（MCP）分割成不同的电子区域（MCP的5%），对每个电子区域使用各自的自动增益控制（AGC）电路。亮光只通过部分电子区域及其AGC，这样，夜视仪在受到明亮的光照射的情况下仍能看清亮光后面模糊背景中的物体。微通道分割可用激光碾磨或选择区域沉积（如平版印刷术）等工艺完成；（2）使用弧形微通道板来代替平面式微通道板，这种弧形微通道板目前用于ALEXIS宇宙飞船的X射线望远镜上，这样开发出来的夜视仪为每只眼提供的视域将至少为600×600，当级联使用时，可提供900（水平）×600（垂直）的视域，为目前水平的3倍多，同时，人眼更容易适应，长期使用时，大大减少眼睛和颈部疲劳。