Fotokatoda - Photocathode

Fotokatody jest powierzchnią zaprojektowane do konwersji światła ( fotonów ) w elektrony za pomocą efektu fotoelektrycznego . Fotokatody są ważne w fizyce akceleratorów, gdzie są używane wewnątrz fotowtryskiwacza do generowania wiązek elektronów o wysokiej jasności . Wiązki elektronów generowane za pomocą fotokatod są powszechnie stosowane w laserach na swobodnych elektronach oraz w ultraszybkiej dyfrakcji elektronów . Fotokatody są również powszechnie stosowane jako ujemnie naładowane elektrody w urządzeniu do wykrywania światła, takim jak fotopowielacz lub fototuba .

Ważne właściwości

Wydajność kwantowa (QE)

Wydajność kwantowa to niemianowana liczba mierząca wrażliwość fotokatody na światło. Jest to stosunek liczby wyemitowanych elektronów do liczby padających fotonów. Ta właściwość zależy od długości fali światła użytego do oświetlenia fotokatody. W wielu zastosowaniach QE jest najważniejszą właściwością, ponieważ fotokatody są wykorzystywane wyłącznie do przetwarzania fotonów na sygnał elektryczny.

Wydajność kwantową można obliczyć na podstawie fotoprądu ( ), mocy lasera ( ) oraz energii fotonu ( ) lub długości fali lasera ( ) za pomocą poniższego równania. ${\ Displaystyle I}$${\displaystyle P_{\tekst{laser}}}$${\displaystyle E_{\tekst{foton}}}$${\ Displaystyle \ lambda _ {\ tekst {laser}}}$

${\ Displaystyle {\ tekst {QE}} = {\ Frac {N_ {\ tekst {elektron}}} {N_ {\ tekst {foton}}}} = {\ Frac {I \ cdot E_ {\ tekst {foton} }}{P_{\text{laser}}}}\ok {\frac {I[{\text{A}}]\cdot 1234}{P_{\text{laser}}[{\text{W}} ]\lambda _{\text{laser}}[{\text{nm}}]}}}$

Średnia energia poprzeczna (MTE) i emisja ciepła

W przypadku niektórych zastosowań ważny jest początkowy rozkład pędu emitowanych elektronów, a popularnymi miernikami są średnia energia poprzeczna (MTE) i emitancja cieplna. MTE jest średnią kwadratu pędu w kierunku wzdłuż powierzchni fotokatody i jest najczęściej podawany w jednostkach milielektronowoltów.

${\ Displaystyle {\ tekst {MTE}} = {\ Frac {p_ {\ sprawca} ^ {2}} {2m_ {e}}}}$

W fotoinjektorach o wysokiej jasności MTE pomaga określić początkową emitancję wiązki, która jest obszarem przestrzeni fazowej zajmowanym przez elektrony. Emitancję ( ) można obliczyć z MTE i wielkości plamki lasera na fotokatodzie ( ) przy użyciu następującego równania. ${\displaystyle \varepsilon}$${\ Displaystyle \ sigma _ {x}}$

${\ Displaystyle \ varepsilon = \ sigma _ {x} {\ sqrt {\ Frac {\ tekst {MTE}} {m_ {e} c ^ {2}}}}}$

gdzie jest masa spoczynkowa elektronu. W powszechnie używanych jednostkach wygląda to następująco. ${\displaystyle m_{e}c^{2}}$

${\ Displaystyle \ varepsilon [{\ tekst {um}}] \ około \ sigma _ {x} [{\ tekst {um}}] {\ sqrt {\ Frac {{\ tekst {MTE}} [{\ tekst { meV}}]}{511\razy 10^{6}}}}$

Ze względu na skalowanie emitancji poprzecznej za pomocą MTE, czasami przydatne jest zapisanie równania w postaci nowej wielkości zwanej emitancją cieplną. Emitancja cieplna jest wyprowadzana z MTE przy użyciu następującego równania.

${\ Displaystyle \ varepsilon _ {\ tekst {th}} = {\ sqrt {\ Frac {\ tekst {MTE}} {m_ {e} c ^ {2}}}}}$

Najczęściej wyraża się ją w stosunku um/mm, aby wyrazić wzrost emitancji w jednostkach um wraz ze wzrostem plamki lasera (mierzony w jednostkach mm).

Poza fizyką akceleratorów, MTE i emitancja termiczna odgrywają rolę w rozdzielczości urządzeń do obrazowania zbliżeniowego, które wykorzystują fotokatody. Jest to ważne w zastosowaniach takich jak wzmacniacze obrazu, przetworniki długości fali i przestarzałe lampy obrazowe.

Dożywotni

Wiele fotokatod wymaga do działania doskonałych warunków próżniowych i ulegają „zatruciu” pod wpływem zanieczyszczeń. Dodatkowo, stosowanie fotokatod w zastosowaniach wysokoprądowych będzie powoli uszkadzać związki, ponieważ są one wystawione na wsteczne bombardowanie jonami. Efekty te są określane ilościowo przez czas życia fotokatody. Śmierć katodowa jest modelowana jako zanikający wykładnik w funkcji czasu lub wyemitowanego ładunku. Żywotność jest wtedy stałą czasową wykładnika.

Zastosowania

Przez wiele lat fotokatoda była jedyną praktyczną metodą konwersji światła na prąd elektronowy. Jako taka ma tendencję do funkcjonowania jako forma „filmu elektrycznego” i posiada wiele cech charakterystycznych dla fotografii. Był więc kluczowym elementem w urządzeniach optoelektronicznych, takich jak lampy do kamer telewizyjnych , takie jak ortocon i vidicon , oraz w lampach obrazowych, takich jak wzmacniacze , przetworniki i dysektory . Do detektorów ruchu i liczników wykorzystano proste fototuby .

Fototuby są używane od lat w projektorach filmowych do odczytywania ścieżek dźwiękowych na krawędzi filmu.

Niedawny rozwój półprzewodnikowych urządzeń optycznych, takich jak fotodiody , ograniczył stosowanie fotokatod do przypadków, w których nadal są one lepsze od urządzeń półprzewodnikowych.

Budowa

Fotokatody działają w próżni, więc ich konstrukcja jest zgodna z technologią lamp próżniowych . Ponieważ większość katod jest wrażliwa na powietrze, budowa fotokatod zwykle następuje po opróżnieniu obudowy. Podczas pracy fotokatoda wymaga pola elektrycznego z pobliską anodą dodatnią, aby zapewnić emisję elektronów.

Fotokatody dzielą się na dwie szerokie grupy; transmisyjne i odblaskowe. Typ transmisji to zazwyczaj powłoka na szklanym oknie, w której światło pada na jedną powierzchnię, a elektrony wychodzą z przeciwległej powierzchni. Typ odbijający jest zwykle tworzony na nieprzezroczystej metalowej podstawie elektrody, gdzie światło wpada, a elektrony wychodzą z tej samej strony. Odmianą jest typ podwójnego odbicia, w którym metalowa podstawa jest podobna do lustra, powodując, że światło, które przeszło przez fotokatodę bez powodowania odbicia emisji po raz drugi. To naśladuje siatkówkę wielu ssaków.

Efektywność fotokatody jest powszechnie wyrażana jako sprawność kwantowa, będąca stosunkiem emitowanych elektronów do padających kwantów (światła). Sprawność zmienia się również w zależności od konstrukcji, ponieważ można ją poprawić za pomocą silniejszego pola elektrycznego.

Powłoki

Chociaż zwykła metaliczna katoda będzie wykazywać właściwości fotoelektryczne, specjalistyczna powłoka znacznie zwiększa efekt. Fotokatoda zwykle składa się z metali alkalicznych o bardzo niskich funkcjach roboczych .

Powłoka uwalnia elektrony znacznie łatwiej niż metal znajdujący się pod spodem, umożliwiając wykrywanie fotonów o niskiej energii w promieniowaniu podczerwonym. Soczewka przenosi promieniowanie z oglądanego obiektu na warstwę powlekanego szkła. Fotony uderzają w metalową powierzchnię i przenoszą elektrony na jej tylną stronę. Uwolnione elektrony są następnie zbierane w celu uzyskania ostatecznego obrazu.

Materiały fotokatodowe

• Ag-O-C, zwane także S-1 . Był to pierwszy złożony materiał fotokatodowy, opracowany w 1929 roku. Czułość od 300 nm do 1200 nm. Ponieważ Ag-O-C ma wyższy prąd ciemny niż bardziej nowoczesne materiały, fotopowielacze z tym materiałem fotokatodowym są obecnie używane tylko w zakresie podczerwieni z chłodzeniem.
• Sb-Cs ( antymon - cez ) ma odpowiedź spektralną od UV do światła widzialnego i jest stosowany głównie w fotokatodach refleksyjnych.
• Bialkali ( antymon - rubid - cez Sb-Rb-Cs, antymon - potas - cez Sb-K-Cs). Zakres odpowiedzi spektralnej podobny do fotokatody Sb-Cs, ale z wyższą czułością i niższym prądem ciemnym niż Sb-Cs. Charakteryzują się czułością dobrze dopasowaną do najpopularniejszych materiałów scyntylacyjnych , dlatego są często używane do pomiaru promieniowania jonizującego w licznikach scyntylacyjnych .
• Bialkali wysokotemperaturowe lub bialkalie niskoszumowe ( sodowo - potasowo - antymonowe , Na-K-Sb). Materiał ten jest często używany do rejestrowania szybów naftowych, ponieważ może wytrzymać temperatury do 175 °C. W temperaturze pokojowej ta fotokatoda działa z bardzo niskim prądem ciemnym, co czyni ją idealną do zastosowania w aplikacjach zliczania fotonów .
• Wieloalkaliczny ( sód - potas - antymon - cez , Na-K-Sb-Cs), zwany także S-20 . Wieloalkaliczna fotokatoda ma szeroką odpowiedź spektralną od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni. Jest szeroko stosowany w spektrofotometrach szerokopasmowych i aplikacjach do liczenia fotonów . Odpowiedź na długie fale można rozszerzyć do 930 nm za pomocą specjalnego procesu aktywacji fotokatody. Przy rozszerzonej odpowiedzi jest to czasami określane jako S-25 .
• GaAs ( arsenek galu(II) ). Ten materiał fotokatodowy obejmuje szerszy zakres odpowiedzi spektralnej niż wieloalkaliczne, od ultrafioletu do 930 nm. Fotokatody GaAs są również wykorzystywane w obiektach akceleratorowych , w których wymagane są spolaryzowane elektrony. Jedną z ważnych właściwości fotokatody GaAs jest to, że może osiągnąć ujemne powinowactwo do elektronów ze względu na osadzanie się Cs na powierzchni. Jednak GaAs jest bardzo delikatny i traci wydajność kwantową (QE) z powodu kilku mechanizmów uszkodzeń. Bombardowanie wsteczne jonów jest główną przyczyną zaniku QE katody GaAs.
• InGaAs ( arsenek indowo-galowy ). Zwiększona czułość w zakresie podczerwieni w porównaniu do GaAs. Co więcej, w zakresie od 900 nm do 1000 nm InGaAs ma znacznie lepszy stosunek sygnału do szumu niż Ag-O-C. Dzięki specjalnym technikom produkcyjnym ta fotokatoda może działać do 1700 nm.
• Cs-Te, Cs-I ( cez - tellurek , jodek cezu ). Materiały te są wrażliwe na próżniowe promienie UV i UV, ale nie na światło widzialne i dlatego określa się je jako żaluzję słoneczną. Cs-Te jest niewrażliwy na fale dłuższe niż 320 nm, a Cs-I na fale dłuższe niż 200 nm.

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Podstawy fotopowielaczy i ich zastosowania od Hamamatsu Photonics