國(guó)產(chǎn)小型磁選態(tài)銫鐘電子倍增器性能測(cè)試與分析

郭磊，陳江，王多書，王驥，黃良玉，馬寅光，崔敬忠，劉志棟，楊緯，侍椿科，李富乾，楊軍，鄭寧

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000；2.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)

0 引言

小型磁選態(tài)銫鐘具有準(zhǔn)確度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可作為一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)使用[1-2]。在小型磁選態(tài)銫鐘中，電子倍增器是將微弱銫離子信號(hào)放大用于檢測(cè)的部件，也是影響銫鐘使用壽命與信噪比的關(guān)鍵部件。長(zhǎng)壽命低噪聲電子倍增器研制難度很大，主要原因在于長(zhǎng)壽命技術(shù)很難突破[3-4]，目前只有美國(guó)[5-6]研制電子倍增器使用壽命可達(dá)12年以上，部分可達(dá)30年以上，而國(guó)內(nèi)[7-8]研制電子倍增器長(zhǎng)期技術(shù)水平較低，使用壽命不到1年，成為影響銫鐘國(guó)產(chǎn)化的瓶頸技術(shù)。

小型磁選態(tài)銫鐘電子倍增器突破長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵點(diǎn)與難點(diǎn)在于高質(zhì)量MgO二次電子發(fā)射薄膜的制備。因MgO薄膜的制備方法不同，銫鐘電子倍增器研制方法可分為Ag-Mg合金敏化法和磁控濺射鍍膜法[9-10]。Ag-Mg合金敏化法起源于20世紀(jì)60年代,是一種加熱氧化Ag-Mg合金形成MgO薄膜的傳統(tǒng)方法。磁控濺射技術(shù)是一種真空環(huán)境下通過(guò)靶材濺射在目標(biāo)基底上形成MgO薄膜的方法，該方法相對(duì)較新，于21世紀(jì)初應(yīng)用于電子倍增器MgO薄膜鍍制。相較傳統(tǒng)Ag-Mg合金敏化法，磁控濺射鍍膜法具有膜層結(jié)構(gòu)可精確設(shè)計(jì)、膜層厚度可精確控制、膜層質(zhì)量相對(duì)較好等特點(diǎn)，在長(zhǎng)壽命電子倍增器研制上展現(xiàn)出了較大優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)蘭州空間技術(shù)物理研究所采用磁控濺射技術(shù)研制長(zhǎng)壽命電子倍增器取得了較大進(jìn)展，并已在地面銫鐘實(shí)現(xiàn)批量化應(yīng)用，是目前國(guó)內(nèi)唯一一家實(shí)現(xiàn)電子倍增器實(shí)用化的單位[9]。本文測(cè)試了目前磁控濺射技術(shù)研制的電子倍增器，與磁控濺射早期技術(shù)、國(guó)內(nèi)敏化法技術(shù)以及美國(guó)研制電子倍增器指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了目前存在的問(wèn)題，提出了后續(xù)技術(shù)提升方向。

1 電子倍增器性能測(cè)試方法

1.1 工作原理與性能指標(biāo)

電子倍增器放大銫離子信號(hào)原理是基于二次電子發(fā)射雪崩效應(yīng)[11]。銫鐘電子倍增器采用9打拿極結(jié)構(gòu)，放大銫離子信號(hào)的過(guò)程(圖1)如下：在負(fù)載高壓的作用下，銫離子轟擊第一打拿極MgO薄膜發(fā)射二次電子，產(chǎn)生的二次電子在電場(chǎng)作用下入射至第二打拿極，激發(fā)第二打拿極產(chǎn)生二次電子，以此類推，經(jīng)9級(jí)打拿極倍增后的二次電子最終被收集并產(chǎn)生電流信號(hào)用于銫鐘信號(hào)檢測(cè)。

注：d1-d9為第一至第九打拿極，第一打拿極d1又稱為陰極K，第九打拿極即末打拿極E，A為陽(yáng)極即收集極

電子倍增器影響銫鐘使用壽命的原因在于：在銫鐘運(yùn)行過(guò)程中，電子倍增器MgO薄膜除了不斷發(fā)射電子外，還承受入射銫離子與發(fā)射電子的不斷轟擊，轟擊作用造成MgO薄膜結(jié)構(gòu)逐漸損傷，二次電子發(fā)射系數(shù)逐漸減小。MgO薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)減小會(huì)造成電子倍增器輸出信號(hào)逐漸減小，為了穩(wěn)定電子倍增器輸出信號(hào)，需要不斷提高電子倍增器負(fù)載電壓，負(fù)載電壓極限值到達(dá)則電子倍增器失效，最終導(dǎo)致銫鐘壽命終結(jié)。

在小型磁選態(tài)銫鐘中，電子倍增器初始工作電壓到極限工作電壓的工作電壓閾值一般為(-1 100 V～2 600 V)，初始工作電壓高低與達(dá)到工作電壓極限值的快慢決定了電子倍增器使用壽命。而電子倍增器增益大小決定了初始工作電壓高低，電子倍增器衰減速率快慢決定了達(dá)到工作電壓極限值的快慢，因此電子倍增器增益與衰減速率技術(shù)指標(biāo)是直接影響銫鐘使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)。另外電子倍增器的本底噪聲對(duì)銫鐘信噪比指標(biāo)也有重要影響。在銫鐘電子倍增器研制過(guò)程中，需要著重關(guān)注電子倍增器增益、衰減速率與暗電流技術(shù)指標(biāo)。

1.2 測(cè)試方法

電子倍增器性能指標(biāo)測(cè)試在專用的測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行。該測(cè)試系統(tǒng)與美國(guó)Hewlett-Packard公司的電子倍增器測(cè)試系統(tǒng)原理一致[11]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。測(cè)試系統(tǒng)真空度可達(dá)5×10-6Pa,與銫束管中電子倍增器工作環(huán)境一致。測(cè)試系統(tǒng)采用光電法產(chǎn)生pA量級(jí)電子流，作為輸入信號(hào)，用于電子倍增器性能指標(biāo)測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)采用斯坦福PS350高壓電源用于電子倍增器工作電壓輸入，采用吉時(shí)利6517B靜電計(jì)收集電子倍增器輸出電流信號(hào)。

圖2 電子倍增器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

增益測(cè)試：測(cè)試電子倍增器輸入電流信號(hào)以及輸出電流信號(hào)，輸出電流信號(hào)與輸入電流信號(hào)的比值為電子倍增器的增益值。增益:G=Iout/Iin，Iin為輸入電流信號(hào)，Iout為輸出電流信號(hào)。而增益值與二次電子發(fā)射系數(shù)之間存在如下關(guān)系：G(V)=δ(V)n，其中δ(V)為電子入射下MgO薄膜在工作電壓V下的二次電子發(fā)射系數(shù),n為電子倍增器打拿極數(shù)量。通過(guò)該公式可得出MgO薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)值。

衰減測(cè)試：采用加速的方式，固定工作電壓，監(jiān)測(cè)電子倍增器增益電流變化，測(cè)試電子倍增器的衰減特性。

暗電流測(cè)試：關(guān)閉輸入電流，測(cè)試電子倍增器在不同工作電壓下的本底噪聲電流信號(hào)。

2 電子倍增器性能測(cè)試與分析

2.1 增益測(cè)試與分析

測(cè)試了目前磁控濺射法研制電子倍增器在不同工作電壓下的增益值，并與早期磁控濺射法以及國(guó)內(nèi)敏化法研制電子倍增器的增益值進(jìn)行了比較分析，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。從圖中可以看出三種技術(shù)研制電子倍增器增益值隨工作電壓增大均呈現(xiàn)指數(shù)式增大。相較其他兩種技術(shù)，目前磁控濺射法研制電子倍增器的增益值明顯較高。以工作電壓-2 500 V下電子倍增器增益值為例，三種技術(shù)研制電子倍增器增益值分別為：4×106(磁控現(xiàn)在技術(shù))、1×106(磁控早期技術(shù))、1.8×105(國(guó)內(nèi)敏化技術(shù))(表1)。目前磁控濺射法研制電子倍增器的增益值分別是早期磁控濺射法與國(guó)內(nèi)敏化法研制電子倍增器增益值的4倍和20倍。

圖3 電子倍增器增益測(cè)試數(shù)據(jù)

表1 工作電壓-2 500 V下三種技術(shù)電子倍增器增益值

根據(jù)電子倍增器增益值與MgO薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)之間關(guān)系：G(V)=δ(V)n，可得出三種技術(shù)研制電子倍增器MgO薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)值，并與美國(guó)Hewlett-Packard公司[11]研制的電子倍增器MgO薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)值進(jìn)行了對(duì)比分析。圖4為三種技術(shù)以及美國(guó)Hewlett-Packard公司研制電子倍增器MgO薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)隨極間電壓的變化曲線。從圖中可以看出，四種電子倍增器MgO薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)隨極間電壓增大均基本呈線性增大。極間電壓-250 V下，三種技術(shù)研制電子倍增器MgO薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)分別為：5.4(磁控現(xiàn)在技術(shù))、4.6(磁控早期技術(shù))、3.8(國(guó)內(nèi)敏化技術(shù))和5.9(美國(guó)電子倍增器)(表2)。比較四種電子倍增器MgO薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)可以看出，目前磁控濺射法技術(shù)指標(biāo)明顯高于國(guó)內(nèi)敏化法，比早期磁控濺射法有了較大提升，接近美國(guó)電子倍增器技術(shù)指標(biāo)。

圖4 不同極間電壓下不同技術(shù)電子倍增器MgO薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)

表2 極間電壓-250 V下不同技術(shù)電子倍增器MgO薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)

電子倍增器增益值決定了銫鐘初始工作電壓值，目前磁控濺射技術(shù)研制電子倍增器具備接近美國(guó)研制電子倍增器的增益指標(biāo)，保證銫鐘初始工作電壓較低。目前采用磁控濺射法研制電子倍增器的銫鐘初始工作電壓大多在-1 100 V左右，而早期采用磁控濺射法研制電子倍增器的銫鐘初始工作電壓大多在-1 600 V～1 700 V附近，采用敏化法研制電子倍增器的銫鐘初始工作電壓大多在-2 100 V～2 200 V附近。以電子倍增器極限工作電壓-2 600 V計(jì)算，與早期技術(shù)比，目前磁控濺射法研制電子倍增器工作電壓范圍變大了500～600 V。

2.2 衰減測(cè)試與分析

為縮短試驗(yàn)周期，我們采用加速考核的方式，測(cè)試電子倍增器的衰減情況。具體方案為：調(diào)整工作電壓，將電子倍增器輸出電流調(diào)至200 nA，固定此時(shí)工作電壓值，以0.5 h為間隔記錄電子倍增器輸出電流值，分析數(shù)據(jù)變化，獲得電子倍增器衰減情況。圖5為不同技術(shù)研制電子倍增器輸出電流隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，磁控濺射現(xiàn)在技術(shù)與早期技術(shù)電子倍增器輸出電流初期都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，然后進(jìn)入下降階段，而敏化法技術(shù)電子倍增器輸出電流沒有上升而直接下降。磁控早期技術(shù)上升時(shí)間較短，25 h左右由200 nA上升至290 nA，然后進(jìn)入下降階段。與早期技術(shù)相比，目前磁控濺射技術(shù)輸出電流時(shí)間上升時(shí)間更長(zhǎng)、上升幅度更高，250 h左右由200 nA升至550 nA，然后進(jìn)入衰減階段。進(jìn)入衰減階段后，三種技術(shù)研制電子倍增器輸出電流衰減速率明顯不同，輸出電流衰減速率分別為：0.12 nA/h(磁控現(xiàn)在技術(shù))、0.49 nA/h(磁控早期技術(shù))、1.06 nA/h(國(guó)內(nèi)敏化技術(shù))(表3)。與前兩種技術(shù)相比，目前磁控濺射技術(shù)研制電子倍增器輸出電流衰減速率顯著下降。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)中不同技術(shù)電子倍增器輸出電流隨時(shí)間的變化曲線

表3 測(cè)試系統(tǒng)中不同技術(shù)電子倍增器輸出電流衰減速率

電子倍增器衰減速率是影響銫鐘使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)。在銫鐘中電子倍增器衰減速率是指電子倍增器平均每天的工作電壓增幅。以上測(cè)試數(shù)據(jù)不能定量說(shuō)明銫鐘電子倍增器實(shí)際衰減速率，但由于造成衰減的物理機(jī)理是一致的，因此可以定性說(shuō)明電子倍增器衰減情況。從以上數(shù)據(jù)可以看出，目前磁控濺射技術(shù)在控制電子倍增器衰減方面取得了較大提升，這些提升在銫鐘中已有體現(xiàn)。表4統(tǒng)計(jì)了銫鐘中不同技術(shù)電子倍增器衰減速率與使用壽命數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)敏化法技術(shù)研制電子倍增器封裝銫鐘，電壓增幅約為8～10 V/d，使用壽命僅為2個(gè)月左右。早期磁控濺射法研制電子倍增器封裝銫鐘，電壓增幅約為2 V/d，使用壽命約為2年。目前磁控濺射法研制電子倍增器封裝銫鐘，電壓增幅約為0.1～0.7 V/d，使用壽命可達(dá)5年以上，部分使用壽命可達(dá)20年。從文獻(xiàn)報(bào)道看，美國(guó)[5-6]研制電子倍增器的衰減速率分布在0.05～0.25 V/d，衰減速率很低，不同器件一致性較好，使用壽命可達(dá)12年以上，部分使用壽命可達(dá)30年。與美國(guó)研制電子倍增器比，目前國(guó)內(nèi)磁控濺射技術(shù)研制電子倍增器在衰減速率方面還存在差距，不同器件衰減速率離散性更大，還需要繼續(xù)降低電子倍增器的衰減速率，控制器件一致性。

表4 銫鐘中不同技術(shù)電子倍增器衰減速率與使用壽命

2.3 暗電流測(cè)試與分析

在放大銫離子信號(hào)的過(guò)程中，電子倍增器本底噪聲不可避免地會(huì)引入到最終的輸出信號(hào)中，從而影響銫鐘整機(jī)技術(shù)指標(biāo)，因此控制電子倍增器本底噪聲對(duì)于提升銫鐘整機(jī)技術(shù)指標(biāo)十分重要[11]。關(guān)閉入射電子流，測(cè)試不同工作電壓下電子倍增器的暗電流數(shù)值。圖6為不同技術(shù)電子倍增器暗電流值隨工作電壓的變化曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在工作電壓-2 000 V以下，幾種不同技術(shù)電子倍增器暗電流值均小于1 pA，當(dāng)工作電壓到達(dá)-2 500 V，國(guó)內(nèi)敏化法與磁控濺射法早期技術(shù)研制電子倍增器暗電流值出現(xiàn)躍升，分別為2.6 pA和5.8 pA，而目前磁控濺射技術(shù)研制電子倍增器與美國(guó)研制電子倍增器暗電流值保持在較低水平，均小于0.5 pA。

圖6 不同技術(shù)電子倍增器暗電流隨工作電壓的變化曲線

保持工作電壓在-2 500 V下，測(cè)試了電子倍增器暗電流隨時(shí)間的變化。圖7為不同技術(shù)研制電子倍增器暗電流隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，與國(guó)內(nèi)敏化法和磁控濺射法早期技術(shù)研制電子倍增器相比，目前磁控濺射技術(shù)研制電子倍增器在暗電流值與波動(dòng)性控制方面均有了較大提升，已與美國(guó)研制電子倍增器相當(dāng)，這為銫鐘高指標(biāo)的獲得提供了技術(shù)基礎(chǔ)。王驥等人[12]曾對(duì)銫鐘穩(wěn)定度與信噪比的關(guān)系做了分析，指出信噪比達(dá)到3 000以上才能獲得較高的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。電子倍增器暗電流指標(biāo)小于0.5 pA，可為銫鐘信噪比指標(biāo)達(dá)到3 000以上起到重要支撐作用。目前國(guó)產(chǎn)小型磁選態(tài)銫鐘[13]信噪比可達(dá)4 000左右，萬(wàn)秒頻率穩(wěn)定度≤8.5×10-14，5天頻率穩(wěn)定度≤1.0×10-14，達(dá)到美國(guó)優(yōu)質(zhì)管銫鐘HP5071A技術(shù)指標(biāo)。

圖7 不同技術(shù)研制電子倍增器暗電流隨時(shí)間的變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

電子倍增器是影響小型磁選態(tài)銫鐘使用壽命與信噪比的關(guān)鍵器件，而使用壽命問(wèn)題最為突出，是影響國(guó)產(chǎn)小型磁選態(tài)銫鐘研制的瓶頸技術(shù)問(wèn)題。基于電子倍增器工作原理與失效機(jī)理，分析得出了電子倍增器性能指標(biāo)與銫鐘性能指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用與美國(guó)Hewlett-Packard公司的電子倍增器測(cè)試系統(tǒng)原理一致的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了目前國(guó)產(chǎn)小型磁選態(tài)銫鐘磁控濺射技術(shù)電子倍增器技術(shù)指標(biāo)，與國(guó)內(nèi)敏化法以及美國(guó)研制電子倍增器指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，與國(guó)內(nèi)敏化法以及早期磁控濺射法相比，目前磁控濺射技術(shù)研制電子倍增器在增益、二次電子發(fā)射系數(shù)、衰減速率、暗電流等多項(xiàng)影響銫鐘性能的關(guān)鍵指標(biāo)上均取得了較大進(jìn)步。電子倍增器增益提高了4倍，二次電子發(fā)射系數(shù)由4.6提高至5.4，暗電流指標(biāo)降至0.5 pA以下，衰減速率由2 V/d降至0.1～0.7 V/d，使用壽命由2年提高至5年以上，部分可達(dá)20年。相比美國(guó)研制電子倍增器性能，增益與二次電子發(fā)射系數(shù)已接近，暗電流已達(dá)到，衰減速率還存在差距，具體表現(xiàn)不同器件衰減速率離散性較大。在后續(xù)的研究工作中，還需要繼續(xù)降低電子倍增器的衰減速率，提高不同器件一致性。