Фотокатод

Поверхность, преобразующая свет в электроны посредством фотоэлектрического эффекта

Фотокатод Cs-K-Sb, центрированный на молибденовой пробке (а) после выращивания в подготовительной камере и (б) после переноса в фотоинжектор

Фотокатод — это поверхность, спроектированная для преобразования света ( фотонов ) в электроны с использованием фотоэлектрического эффекта . Фотокатоды играют важную роль в физике ускорителей , где они используются в фотоинжекторе для генерации электронных пучков высокой яркости . Электронные пучки, генерируемые фотокатодами, обычно используются для лазеров на свободных электронах и для сверхбыстрой электронной дифракции . Фотокатоды также обычно используются в качестве отрицательно заряженного электрода в устройстве обнаружения света, таком как фотоумножитель , фототрубка и усилитель изображения .

Важные свойства

Квантовая эффективность (QE)

Квантовая эффективность — это безразмерное число, которое измеряет чувствительность фотокатода к свету. Это отношение числа испускаемых электронов к числу падающих фотонов. ^[1] 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.

Квантовую эффективность можно рассчитать из фототока ( ), мощности лазера ( ) и либо энергии фотона ( ), либо длины волны лазера ( ), используя следующее уравнение. ^{[1] [2]} ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle P_{\text{laser}}}$ ${\displaystyle E_{\text{photon}}}$ ${\displaystyle \lambda _{\text{laser}}}$

$${\displaystyle {\text{QE}}={\frac {N_{\text{electron}}}{N_{\text{photon}}}}={\frac {I\cdot E_{\text{photon}}}{P_{\text{laser}}\cdot e}}\approx {\frac {{\overset {[{\text{amps}}]}{I}}\cdot 1240}{{\underset {[{\text{watts}}]}{P_{\text{laser}}}}\cdot {\underset {[{\text{nm}}]}{\lambda _{\text{laser}}}}}}}$$

Средняя поперечная энергия (СПЭ) и тепловое излучение

Для некоторых приложений важно начальное распределение импульса испускаемых электронов, и средняя поперечная энергия (MTE) и тепловое излучение являются популярными метриками для этого. MTE представляет собой дисперсию поперечного импульса в направлении вдоль поверхности фотокатода и чаще всего указывается в единицах миллиэлектронвольт. ^[3]

$${\displaystyle {\text{MTE}}={\frac {\langle p_{\perp }^{2}\rangle }{2m_{e}}}}$$

В фотоинжекторах высокой яркости MTE помогает определить начальный эмиттанс пучка, представляющий собой область в фазовом пространстве, занимаемую электронами. ^[4] Эмиттанс ( ) можно рассчитать из MTE и размера пятна лазера 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 общепринятых единицах это выглядит следующим образом. ${\displaystyle m_{e}c^{2}}$

$${\displaystyle {\overset {[\mu {\text{m}}]}{\varepsilon }}\approx {\overset {[\mu {\text{m}}]}{\sigma _{x}}}{\sqrt {\frac {\overset {[{\text{meV}}]}{\text{MTE}}}{511\times 10^{6}}}}}$$

Из-за масштабирования поперечного излучения с помощью MTE иногда полезно записать уравнение в терминах новой величины, называемой тепловым излучением. ^[5] Тепловое излучение выводится из MTE с помощью следующего уравнения.

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

Чаще всего его выражают в соотношении мкм/мм, чтобы выразить рост излучательной способности в единицах мкм по мере увеличения пятна лазера (измеряемого в единицах мм).

Эквивалентное определение MTE — это температура электронов, испускаемых в вакууме. ^[6] MTE электронов, испускаемых из обычно используемых фотокатодов, таких как поликристаллические металлы, ограничена избыточной энергией (разницей между энергией падающих фотонов и работой выхода фотокатода), предоставляемой электронам. Чтобы ограничить MTE, фотокатоды часто работают вблизи порога фотоэмиссии, где избыточная энергия стремится к нулю. В этом пределе большая часть фотоэмиссии исходит из хвоста распределения Ферми. Поэтому MTE термически ограничена , где — постоянная Больцмана, а — температура электронов в твердом теле. ^[7] ${\displaystyle k_{B}T}$ ${\displaystyle k_{B}}$ ${\displaystyle T}$

Из-за сохранения поперечного импульса и энергии в процессе фотоэмиссии MTE чистого, атомно-упорядоченного, монокристаллического фотокатода определяется зонной структурой материала. Идеальная зонная структура для низких MTE — это та, которая не допускает фотоэмиссию из состояний с большим поперечным импульсом. ^[8]

За пределами физики ускорителей МТЭ и тепловое излучение играют роль в разрешении устройств визуализации с фокусировкой на близком расстоянии, которые используют фотокатоды. ^[9] Это важно для таких приложений, как усилители изображения, преобразователи длины волны и ныне устаревшие электронно-оптические преобразователи.

Продолжительность жизни

Многие фотокатоды требуют для работы превосходных вакуумных условий и становятся «отравленными» при воздействии загрязняющих веществ. Кроме того, использование фотокатодов в приложениях с высоким током будет медленно повреждать соединения, поскольку они подвергаются обратной бомбардировке ионами. Эти эффекты количественно определяются сроком службы фотокатода. Смерть катода моделируется как затухающая экспонента как функция либо времени, либо испускаемого заряда. Тогда срок службы является постоянной времени экспоненты. ^{[10] [11]}

Использует

В течение многих лет фотокатод был единственным практическим методом преобразования света в электронный ток. Как таковой, он, как правило, функционирует как форма «электрической пленки» и разделяет многие характеристики фотографии. Поэтому он был ключевым элементом в оптоэлектронных устройствах, таких как телевизионные трубки камеры, такие как ортикон и видикон, и в электронно-оптических преобразователях, таких как усилители , преобразователи и диссекторы . Простые фотоэлементы использовались для детекторов движения и счетчиков.

Фотоэлементы уже много лет используются в кинопроекторах для считывания звуковых дорожек по краям кинопленки. ^[12]

Более позднее развитие твердотельных оптических устройств, таких как фотодиоды, сократило использование фотокатодов до случаев, когда они по-прежнему превосходят полупроводниковые приборы.

Строительство

Фотокатоды работают в вакууме, поэтому их конструкция параллельна технологии вакуумных трубок . Поскольку большинство катодов чувствительны к воздуху, изготовление фотокатодов обычно происходит после того, как корпус был откачан. При работе фотокатоду требуется электрическое поле с расположенным поблизости положительным анодом для обеспечения электронной эмиссии. Молекулярно-лучевая эпитаксия широко применяется в современном производстве фотокатодов. Используя подложку с согласованными параметрами решетки, можно изготавливать кристаллические фотокатоды, и электронные пучки могут выходить из одного и того же положения в зоне Бриллюэна решетки, чтобы получить электронные пучки высокой яркости .

Фотокатоды делятся на две большие группы: пропускающие и отражающие. Пропускающий тип обычно представляет собой покрытие на стеклянном окне, в котором свет падает на одну поверхность, а электроны выходят с противоположной поверхности. Отражающий тип обычно формируется на непрозрачной металлической электродной основе, куда свет входит, а электроны выходят с одной и той же стороны. Разновидностью является тип двойного отражения, где металлическая основа подобна зеркалу, в результате чего свет, прошедший через фотокатод, не вызвав эмиссию, отражается для повторной попытки. Это имитирует сетчатку у многих млекопитающих.

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

Характеристика

Поверхность фотокатодов можно охарактеризовать с помощью различных поверхностно-чувствительных методов, таких как сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия .

Покрытия

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

Покрытие высвобождает электроны гораздо легче, чем лежащий под ним металл, что позволяет ему обнаруживать низкоэнергетические фотоны в инфракрасном излучении. Линза передает излучение от рассматриваемого объекта слою покрытого стекла. Фотоны ударяются о поверхность металла и переносят электроны на его заднюю сторону. Освобожденные электроны затем собираются для получения конечного изображения.

Фотокатодные материалы

• Ag-O-Cs, также называемый S-1 . Это был первый составной фотокатодный материал, разработанный в 1929 году. Чувствительность от 300 нм до 1200 нм. Поскольку Ag-O-Cs имеет более высокий темновой ток, чем более современные материалы, фотоэлектронные умножители с этим фотокатодным материалом 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, работающих в отражательном режиме.
• Бищелочные ( сурьма - рубидий - цезий Sb-Rb-Cs, сурьма - калий - цезий Sb-K-Cs). Спектральный диапазон чувствительности аналогичен Sb-Cs фотокатоду, но с более высокой чувствительностью и меньшим темновым током , чем Sb-Cs. Они имеют чувствительность, хорошо соответствующую большинству распространенных сцинтилляционных материалов, и поэтому часто используются для измерения ионизирующего излучения в сцинтилляционных счетчиках .
• Высокотемпературная бищелочная или малошумная бищелочная ( натрий - калий - сурьма , Na-K-Sb). Этот материал часто используется в каротаже нефтяных скважин , поскольку он выдерживает температуру до 175 °C. При комнатной температуре этот фотокатод работает с очень низким темновым током, что делает его идеальным для использования в приложениях для подсчета фотонов .
• Multialkali ( натрий - калий - сурьма - цезий , Na-K-Sb-Cs), также называемый S-20 . Multialkali фотокатод имеет широкий спектральный отклик от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона. Он широко используется в широкополосных спектрофотометрах и приложениях для подсчета фотонов . Длинноволновый отклик может быть расширен до 930 нм с помощью специальной обработки активации фотокатода. С расширенным откликом его иногда называют S-25 .
• GaAs ( арсенид галлия(II) ). Этот фотокатодный материал охватывает более широкий спектральный диапазон чувствительности, чем многощелочные, от ультрафиолета до 930 нм. Фотокатоды GaAs также используются в ускорительных установках, где требуются поляризованные электроны. ^[13] Одним из важных свойств фотокатода GaAs является то, что он может достигать отрицательного электронного сродства из-за осаждения Cs на поверхности. ^[14] Однако GaAs очень чувствителен и теряет квантовую эффективность (QE) из-за механизма повреждения пары. Обратная ионная бомбардировка является одной из основных причин распада QE катода GaAs. ^[15]
• InGaAs ( арсенид галлия-индия ). Расширенная чувствительность в инфракрасном диапазоне по сравнению с GaAs. Более того, в диапазоне от 900 нм до 1000 нм InGaAs имеет гораздо лучшее отношение сигнал/шум, чем Ag-O-Cs. Благодаря специальным технологиям изготовления этот фотокатод может работать до 1700 нм.
• Cs-Te, Cs-I ( теллурид цезия , иодид цезия ). Эти материалы чувствительны к вакуумному УФ и УФ-лучам , но не к видимому свету, поэтому их называют солнечно слепыми. Cs-Te нечувствителен к длинам волн более 320 нм, а Cs-I — к длинам волн более 200 нм.

Ссылки

1. Rao, T., & Dowell, DH (2013). Инженерное руководство по фотоинжекторам . CreateSpace Independent Publishing.
2. Дженсен, Кевин Л.; Фельдман, Дональд В.; Муди, Натан А.; О'Ши, Патрик Г. (15 июня 2006 г.). «Модель фотоэмиссии для металлических поверхностей с покрытием с низкой рабочей функцией и ее экспериментальная проверка». Журнал прикладной физики . 99 (12): 124905–124905–19. Bibcode : 2006JAP....99l4905J. doi : 10.1063/1.2203720.
3. Брэдли, DJ, Алленсон, MB, и Холеман, BR (1977). Поперечная энергия электронов, испускаемых фотокатодами GaAs. Journal of Physics D: Applied Physics , 10 (1), 111–125. doi :10.1088/0022-3727/10/1/013
4. Базаров, IV, Данхэм, BM, Ли, Y., Лю, X., Узунов, DG, Синклер, CK, Хэннон, F., и Миядзима, T. (2008). Измерения тепловой эмиссии и времени отклика фотокатодов с отрицательным электронным сродством. Журнал прикладной физики , 103 (5), 054901. doi :10.1063/1.2838209
5. Ямамото Н., Ямамото М., Кувахара М., Сакаи Р., Морино Т., Тамагаки К., Мано А., Уцу А., Окуми С., Наканиси Т. , Курики М., Бо К., Уджихара Т. и Такеда Ю. (2007). Измерения теплового эмиттанса электронных пучков, полученных из объемных и сверхрешеточных фотокатодов с отрицательным сродством к электрону. Журнал прикладной физики , 102 (2), 024904. doi : 10.1063/1.2756376.
6. Musumeci и др. (2018). «Достижения в области источников ярких электронов». https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.03.019
7. Сиддхарт Каркаре, С., Адхикари, Г., Шредер, ВА, Нангой, Дж. К., Ариас, Т., Максон, Дж. и Падмор, Х. (2020). «Ультрахолодные электроны посредством околопороговой фотоэмиссии из монокристалла Cu(100)». Phys. Rev. Lett. 125, 054801.
8. Парзик и др. (2022). «Монокристаллические щелочные антимонидные фотокатоды». Phys. Rev. Lett. 128, 114801.
9. Мартинелли, РУ (1973). Влияние катодной выпуклости на пространственное разрешение электронно-оптических преобразователей с фокусировкой на близком расстоянии. Прикладная оптика , 12 (8), 1841. doi :10.1364/AO.12.001841
10. Siggins, T; Sinclair, C; Bohn, C; Bullard, D; Douglas, D; Grippo, A; Gubeli, J; Krafft, G. A; Yunn, B (2001-12-21). "Производительность фотокатодной пушки DC GaAs для FEL лаборатории Jefferson". Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . FEL2000: Proc. 22nd Int. Free Electron Laser Conference and 7th F EL Users Workshop. 475 (1): 549–553. Bibcode : 2001NIMPA.475..549S. doi : 10.1016/S0168-9002(01)01596-0. ISSN  0168-9002.
11. Mamun, MA; Hernandez-Garcia, C.; Poelker, M.; Elmustafa, AA (2015-06-01). "Корреляция срока службы фотокатода CsK2Sb с толщиной сурьмы". APL Materials . 3 (6): 066103. Bibcode : 2015APLM....3f6103M. doi : 10.1063/1.4922319 .
12. Филдинг, Рэймонд (1983). Технологическая история кино и телевидения. Издательство Калифорнийского университета. С. 360. ISBN 9780520050648.
13. Pierce, DT; Celotta, RJ; Wang, G.-C.; Unertl, WN; Galejs, A.; Kuyatt, CE; Mielczarek, SR (апрель 1980 г.). "Источник спин-поляризованных электронов на основе GaAs". Review of Scientific Instruments . 51 (4): 478–499. Bibcode :1980RScI...51..478P. doi :10.1063/1.1136250. ISSN  0034-6748.
14. "Оптимизация активации (Cs,O) фотокатода NEA - Публикация конференции IEEE". doi :10.1109/IVESC.2004.1414231. S2CID  25911728. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
15. Grames, J.; Suleiman, R.; Adderley, PA; Clark, J.; Hansknecht, J.; Machie, D.; Poelker, M.; Stutzman, ML (2011-04-20). "Измерения заряда и времени жизни флюенса постоянного тока высоковольтной фотопушки GaAs при высоком среднем токе". Physical Review Специальные темы: ускорители и пучки . 14 (4): 043501. Bibcode : 2011PhRvS..14d3501G. doi : 10.1103/physrevstab.14.043501 . ISSN  1098-4402.

Внешние ссылки

• Основы и применение фотоумножительных трубок от Hamamatsu Photonics
• Техническое руководство RCA PT-60. Основы и применение, а также список обозначений спектральной характеристики EIA "S" на страницах 21 и 88.