Фотокатод - Photocathode

Фотокатода является поверхностью инженерии для преобразования света ( фотоны ) в электроны с помощью фотоэлектрического эффекта . Фотокатоды важны в физике ускорителей, где они используются внутри фотоинжектора для генерации электронных пучков высокой яркости . Электронные пучки, генерируемые фотокатодами, обычно используются для лазеров на свободных электронах и для сверхбыстрой дифракции электронов . Фотокатоды также обычно используются в качестве отрицательно заряженного электрода в устройстве обнаружения света, таком как фотоумножитель или фототрубка .

Важные свойства

Квантовая эффективность (QE)

Квантовая эффективность - это безразмерное число, которое измеряет чувствительность фотокатода к свету. Это отношение количества испускаемых электронов к количеству падающих фотонов. Это свойство зависит от длины волны света, используемого для освещения фотокатода. Для многих приложений QE является наиболее важным свойством, поскольку фотокатоды используются исключительно для преобразования фотонов в электрический сигнал.

Квантовая эффективность может быть рассчитана на основе фототока ( ), мощности лазера ( ) и энергии фотонов ( ) или длины волны лазера ( ) с использованием следующего уравнения. ${\ displaystyle I}$${\ displaystyle P _ {\ text {laser}}}$${\ displaystyle E _ {\ text {photon}}}$${\ displaystyle \ lambda _ {\ text {laser}}}$

${\ displaystyle {\ text {QE}} = {\ frac {N _ {\ text {electronic}}} {N _ {\ text {photon}}}} = {\ frac {I \ cdot E _ {\ text {photon} }} {P _ {\ text {laser}}}} \ приблизительно {\ frac {I [{\ text {A}}] \ cdot 1234} {P _ {\ text {laser}} [{\ text {W}} ] \ lambda _ {\ text {laser}} [{\ text {nm}}]}}}$

Средняя поперечная энергия (MTE) и тепловое излучение

Для некоторых приложений важно начальное распределение эмитированных электронов по импульсам, а средняя поперечная энергия (MTE) и тепловой эмиттанс являются популярными показателями для этого. MTE - это среднее значение квадрата импульса в направлении вдоль поверхности фотокатода, которое чаще всего выражается в миллиэлектронвольтах.

${\ displaystyle {\ text {MTE}} = {\ frac {p _ {\ perp} ^ {2}} {2m_ {e}}}}$

В фотоинжекторах высокой яркости MTE помогает определить начальный эмиттанс пучка, который представляет собой область фазового пространства, занимаемую электронами. Эмиттанс ( ) можно рассчитать на основе MTE и размера лазерного пятна на фотокатоде ( ), используя следующее уравнение. ${\ displaystyle \ varepsilon}$${\ displaystyle \ sigma _ {x}}$

${\ displaystyle \ varepsilon = \ sigma _ {x} {\ sqrt {\ frac {\ text {MTE}} {m_ {e} c ^ {2}}}}}$

где - масса покоя электрона. В обычно используемых единицах это выглядит следующим образом. ${\ displaystyle m_ {e} c ^ {2}}$

${\ displaystyle \ varepsilon [{\ text {um}}] \ приблизительно \ sigma _ {x} [{\ text {um}}] {\ sqrt {\ frac {{\ text {MTE}} [{\ text { мэВ}}]} {511 \ раз 10 ^ {6}}}}}$

Из-за масштабирования поперечного эмиттанса с помощью MTE иногда полезно записать уравнение в терминах новой величины, называемой тепловым эмиттансом. Тепловой эмиттанс рассчитывается из MTE с использованием следующего уравнения.

${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ text {th}} = {\ sqrt {\ frac {\ text {MTE}} {m_ {e} c ^ {2}}}}}$

Чаще всего выражается в соотношении мкм / мм для выражения роста эмиттанса в единицах мкм по мере роста лазерного пятна (измеряется в миллиметрах).

Помимо физики ускорителей, MTE и тепловая эмиссия играют роль в разрешающей способности устройств формирования изображений с фокусировкой на близком расстоянии, в которых используются фотокатоды. Это важно для таких приложений, как усилители изображения, преобразователи длины волны и устаревшие электронно-лучевые трубки.

Продолжительность жизни

Многие фотокатоды требуют отличного вакуума для работы и становятся «отравленными» при воздействии загрязнений. Кроме того, использование фотокатодов в сильноточных приложениях будет медленно повредить соединения, поскольку они подвергаются обратной ионной бомбардировке. Эти эффекты количественно выражаются сроком службы фотокатода. Смерть катода моделируется как убывающая экспонента как функция времени или испускаемого заряда. Тогда время жизни - это постоянная времени экспоненты.

Использует

В течение многих лет фотокатод был единственным практическим методом преобразования света в электронный ток. Как таковая, она имеет тенденцию функционировать как разновидность «электрической пленки» и имеет много общих черт фотографии. Поэтому он был ключевым элементом в оптоэлектронных устройствах, таких как трубки телекамер , таких как ортокон и видикон, и в трубках изображения, таких как усилители , преобразователи и диссекторы . Для детекторов движения и счетчиков использовались простые фототрубки .

Фотолаборы в течение многих лет использовались в кинопроекторах для чтения звуковых дорожек на краю кинопленки.

Недавняя разработка твердотельных оптических устройств, таких как фотодиоды , сократила использование фотокатодов до случаев, когда они по-прежнему превосходят полупроводниковые устройства.

Строительство

Фотокатоды работают в вакууме, поэтому их конструкция параллельна технологии электронных ламп . Поскольку большинство катодов чувствительны к воздуху, создание фотокатодов обычно происходит после вакуумирования корпуса. При работе фотокатоду требуется электрическое поле с близлежащим положительным анодом для обеспечения электронной эмиссии.

Фотокатоды делятся на две большие группы; трансмиссионный и отражающий. Тип пропускания обычно представляет собой покрытие на стеклянном окне, в котором свет падает на одну поверхность, а электроны выходят из противоположной поверхности. Отражающий тип обычно формируется на непрозрачном металлическом основании электрода, куда свет входит, а электроны выходят с одной и той же стороны. Разновидностью является тип двойного отражения, когда металлическое основание является зеркальным, в результате чего свет проходит через фотокатод, не вызывая отражения излучения для второй попытки. Это имитирует сетчатку у многих млекопитающих.

Эффективность фотокатода обычно выражается как квантовая эффективность, то есть отношение испускаемых электронов к падающим квантам (света). Эффективность также зависит от конструкции, так как ее можно улучшить с помощью более сильного электрического поля.

Покрытия

Хотя простой металлический катод будет проявлять фотоэлектрические свойства, специальное покрытие значительно увеличивает эффект. Фотокатод обычно состоит из щелочных металлов с очень низкой работой выхода .

Покрытие высвобождает электроны гораздо легче, чем находящийся под ним металл, что позволяет ему обнаруживать фотоны низкой энергии в инфракрасном излучении. Линза передает излучение просматриваемого объекта на слой стекла с покрытием. Фотоны ударяются о поверхность металла и переносят электроны на ее тыльную сторону. Затем освобожденные электроны собираются для создания окончательного изображения.

Фотокатодные материалы

• Ag-O-Cs, также называемый S-1 . Это был первый составной фотокатодный материал, разработанный в 1929 году. Чувствительность от 300 до 1200 нм. Поскольку Ag-O-Cs имеет более высокий темновой ток, чем более современные материалы, фотоэлектронные умножители с этим материалом фотокатода в настоящее время используются только в инфракрасной области с охлаждением.
• Sb-Cs ( сурьма - цезий ) имеет спектральный отклик от УФ до видимого диапазона и в основном используется в фотокатодах с режимом отражения.
• Биалкалий ( сурьма - рубидий - цезий Sb-Rb-Cs, сурьма - калий - цезий Sb-K-Cs). Спектральный диапазон отклика аналогичен фотокатоду Sb-Cs, но с более высокой чувствительностью и меньшим темновым током, чем у Sb-Cs. Они имеют чувствительность, соответствующую наиболее распространенным сцинтилляционным материалам, и поэтому часто используются для измерения ионизирующего излучения в сцинтилляционных счетчиках .
• Высокая температура Bialkali или низкий уровень шума (Bialkali натрия - калий - сурьма , Na-K-Sb). Этот материал часто используется при каротажных работах на нефтяных скважинах, поскольку он выдерживает температуры до 175 ° C. При комнатной температуре этот фотокатод работает с очень низким темновым током, что делает его идеальным для использования в приложениях для счета фотонов .
• Мультищелочи ( натрий - калий - сурьма - цезий , Na-K-Sb-Cs), также называемый S-20 . Многощелочной фотокатод имеет широкий спектральный диапазон от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области. Он широко используется для широкополосных спектрофотометров и приложений для подсчета фотонов . Длинноволновый отклик можно расширить до 930 нм с помощью специальной обработки активации фотокатода. При расширенном отклике его иногда называют S-25 .
• GaAs ( арсенид галлия (II) ). Этот фотокатодный материал покрывает более широкий спектральный диапазон отклика, чем мультищелочной, от ультрафиолета до 930 нм. Фотокатоды из GaAs также используются в ускорительных установках, где требуются поляризованные электроны. Одним из важных свойств фотокатода GaAs является то, что он может достигать отрицательного сродства к электрону за счет осаждения Cs на поверхности. Однако GaAs очень хрупкий и теряет квантовую эффективность (QE) из-за нескольких механизмов повреждения. Обратная бомбардировка ионами является основной причиной распада квантового эффекта на катоде GaAs.
• InGaAs ( арсенид индия-галлия ). Повышенная чувствительность в инфракрасном диапазоне по сравнению с GaAs. Более того, в диапазоне от 900 до 1000 нм InGaAs имеет гораздо лучшее отношение сигнал / шум, чем Ag-O-Cs. Благодаря специальной технологии изготовления этот фотокатод может работать на длине волны до 1700 нм.
• Cs-Te, Cs-I ( цезий - теллурида , цезий йодистый ). Эти материалы чувствительны к вакуумным ультрафиолетовым и ультрафиолетовым лучам, но не к видимому свету, поэтому их называют солнечными слепыми. Cs-Te нечувствителен к длинам волн более 320 нм, а Cs-I - к длинам волн более 200 нм.

использованная литература

внешние ссылки

• Основы фотоэлектронных умножителей и их применение от Hamamatsu Photonics