Фотокатод

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

Фотокатод — это поверхность, предназначенная для преобразования света ( фотонов ) в электроны с использованием фотоэлектрического эффекта . Фотокатоды играют важную роль в физике ускорителей , где они используются в фотоинжекторах для генерации электронных пучков высокой яркости . Электронные пучки, генерируемые фотокатодами, обычно используются в лазерах на свободных электронах и для дифракции сверхбыстрых электронов . Фотокатоды также широко используются в качестве отрицательно заряженного электрода в устройствах обнаружения света, таких как фотоумножители , фототрубки и усилители изображения .

Важные свойства

Квантовая эффективность (КС)

Квантовая эффективность — это безразмерное число, которое измеряет чувствительность фотокатода к свету. Это отношение количества испущенных электронов к числу падающих фотонов. ^[1] Это свойство зависит от длины волны света, используемого для освещения фотокатода. Для многих приложений КС является наиболее важным свойством, поскольку фотокатоды используются исключительно для преобразования фотонов в электрический сигнал.

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

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

Средняя поперечная энергия (MTE) и тепловое излучение

Для некоторых приложений важно начальное распределение импульсов эмитированных электронов, а средняя поперечная энергия (MTE) и тепловой эмиттанс являются популярными показателями для этого. MTE представляет собой среднее значение квадрата импульса в направлении вдоль поверхности фотокатода и чаще всего выражается в миллиэлектронвольтах. ^[3]

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

В фотоинжекторах высокой яркости МТЕ помогает определить начальный эмиттанс луча, который представляет собой область в фазовом пространстве, занимаемую электронами. ^[4] Эмиттанс ( ) можно рассчитать на основе МТР 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 общепринятых единицах это выглядит следующим образом. ${\displaystyle m_{e}c^{2}}$

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

Из-за масштабирования поперечного эмиттанса с помощью МТЭ иногда полезно записать уравнение в терминах новой величины, называемой тепловым эмиттансом. ^[5] Тепловой эмиттанс рассчитывается из MTE с использованием 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 эмиттанса в единицах мкм по мере роста лазерного пятна (измеряется в миллиметрах).

Эквивалентное определение МТЕ — это температура электронов, испускаемых в вакууме. ^[6] МТР электронов, испускаемых обычно используемыми фотокатодами, такими как поликристаллические металлы, ограничивается избыточной энергией (разницей между энергией падающих фотонов и работой выхода фотокатода), передаваемой электронам. Для ограничения МТР фотокатоды часто работают вблизи порога фотоэмиссии, когда избыточная энергия стремится к нулю. В этом пределе большая часть фотоэмиссии происходит из хвоста распределения Ферми. Следовательно, МТЭ термически ограничен до , где – постоянная Больцмана, – 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 МТР чистого атомно-упорядоченного монокристаллического фотокатода определяется зонной структурой материала. Идеальная зонная структура для низких МТР — это такая, которая не допускает фотоэмиссии из состояний с большим поперечным импульсом. ^[8]

Помимо физики ускорителей, МТР и тепловое излучение играют роль в разрешении устройств формирования изображений с фокусировкой на близость, в которых используются фотокатоды. ^[9] Это важно для таких приложений, как усилители изображения, преобразователи длины волны и устаревшие кинескопы.

Продолжительность жизни

Многим фотокатодам для работы требуются отличные условия вакуума, и они «отравляются» при воздействии загрязнений. Кроме того, использование фотокатодов в приложениях с высоким током будет медленно повреждать соединения, поскольку они подвергаются обратной бомбардировке ионами. Эти эффекты количественно оцениваются сроком службы фотокатода. Смерть катода моделируется как затухающая экспонента в зависимости от времени или излучаемого заряда. Тогда время жизни является постоянной времени экспоненты. ^{[10] [11]}

Использование

В течение многих лет фотокатод был единственным практическим методом преобразования света в электронный ток. По существу, он имеет тенденцию функционировать как своего рода «электрическая пленка» и имеет многие характеристики фотографии. Поэтому он был ключевым элементом в оптоэлектронных устройствах, таких как трубки для телекамер, такие как ортикон и видикон, а также в электронно-оптических устройствах, таких как усилители , преобразователи и диссекторы . Простые фототрубки использовались для детекторов движения и счетчиков.

Фототрубки уже много лет используются в кинопроекторах для чтения звуковых дорожек по краю кинопленки. ^[12]

Более поздняя 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 аналогична технологии электронных ламп . Поскольку большинство катодов чувствительны к воздуху, изготовление фотокатодов обычно происходит после вакуумирования корпуса. В работе фотокатода требуется электрическое поле с близлежащим положительным анодом для обеспечения эмиссии электронов. Молекулярно-лучевая эпитаксия широко применяется в современном производстве фотокатодов. Используя подложку с согласованными параметрами решетки, можно изготовить кристаллические фотокатоды, и электронные лучи могут выходить из одного и того же положения в зоне Бриллюэна решетки , чтобы получить электронные пучки высокой яркости .

Фотокатоды делятся на две большие группы; пропускание и отражение. Тип пропускания обычно представляет собой покрытие на стеклянном окне, в котором свет падает на одну поверхность, а электроны выходят из противоположной поверхности. Светоотражающий тип обычно формируется на непрозрачной металлической основе электрода, куда свет проникает, а электроны выходят с одной и той же стороны. Разновидностью является тип двойного отражения, при котором металлическое основание имеет зеркальную форму, благодаря чему свет, прошедший через фотокатод, не отражается обратно при второй попытке. Это имитирует сетчатку многих млекопитающих.

Эффективность фотокатода обычно выражается как квантовая эффективность, которая представляет собой соотношение испускаемых электронов и падающих квантов (света). Эффективность также зависит от конструкции, поскольку ее можно улучшить за счет более сильного электрического поля.

Характеристика

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

Покрытия

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

Покрытие высвобождает электроны гораздо быстрее, чем основной 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 его тыльную сторону. Освободившиеся электроны затем собираются для получения 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, фотоумножители 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.
• Бищелочные ( сурьма - рубидий - цезий Sb-Rb-Cs, сурьма - калий - цезий Sb-K-Cs). Спектральный диапазон чувствительности аналогичен фотокатоду Sb-Cs, но с более высокой чувствительностью и меньшим темновым током , чем у Sb-Cs. Их чувствительность хорошо соответствует чувствительности наиболее распространенных сцинтилляционных материалов, поэтому их часто используют для измерения ионизирующего излучения в сцинтилляционных счетчиках .
• Высокотемпературные бищелочные или малошумящие бищелочные ( натрий - калий - сурьма , Na-K-Sb). Этот материал часто используется при 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 подсчета фотонов .
• Мультищелочные ( натрий - калий - сурьма - цезий , Na-K-Sb-Cs), также называемые S-20 . Многощелочной фотокатод имеет широкий спектральный отклик от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области. Он широко используется в широкополосных спектрофотометрах и приложениях для подсчета фотонов . Длинноволновой отклик можно расширить до 930 нм за счет специальной обработки активации фотокатода. В связи с расширенным ответом его иногда называют S-25 .
• GaAs ( арсенид галлия(II) ). Этот материал фотокатода охватывает более широкий диапазон спектрального отклика, чем мультищелочной, 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 сродства к электрону благодаря осаждению Cs на поверхности. ^[14] Однако GaAs очень чувствителен и теряет квантовую эффективность (QE) из-за нескольких механизмов повреждения. Обратная ионная бомбардировка является одной из основных причин распада QE катода GaAs. ^[15]
• InGaAs ( арсенид индия-галлия ). Повышенная чувствительность в инфракрасном диапазоне по сравнению с GaAs. Более того, в диапазоне длин волн от 900 до 1000 нм InGaAs имеет гораздо лучшее соотношение сигнал/шум, чем Ag-O-C. Благодаря специальным технологиям производства этот фотокатод может работать до 1700 нм.
• Cs-Te, Cs-I ( теллурид цезия , йодид цезия ). Эти материалы чувствительны к вакуумному УФ- излучению и ультрафиолетовым лучам, но не к видимому свету, поэтому их называют солнечными шторами. Cs-Te нечувствителен к длинам волн более 320 нм, а Cs-I — к длинам волн более 200 нм.

Рекомендации

1. Рао, Т., и Доуэлл, Д.Х. (2013). Инженерное руководство по фотоинжекторам . Независимое издательство CreateSpace.
2. Дженсен, Кевин Л.; Фельдман, Дональд В.; Муди, Натан А.; О'Ши, Патрик Г. (15 июня 2006 г.). «Модель фотоэмиссии для металлических поверхностей с низкой работой выхода и ее экспериментальная проверка». Журнал прикладной физики . 99 (12): 124905. дои : 10.1063/1.2203720.
3. Брэдли, DJ, Алленсон, MB, и Холеман, BR (1977). Поперечная энергия электронов, эмитированных из фотокатодов GaAs. Журнал физики D: Прикладная физика , 10 (1), 111–125. дои : 10.1088/0022-3727/10/1/013
4. Базаров И.В., Данхэм Б.М., Ли Ю., Лю Х., Уззунов Д.Г., Синклер К.К., Хэннон Ф. и Миядзима Т. (2008). Измерение теплового эмиттанса и времени отклика фотокатодов с отрицательным сродством к электрону. 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. Мусумечи и др. (2018). «Достижения в области ярких источников электронов». https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.03.019
7. Сиддхарт Каркаре, С., Адхикари, Г., Шредер, В.А., Нангой, Дж. К., Ариас, Т., Мэксон, 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 щелочно-антимонидные фотокатоды». Физ. Преподобный Летт. 128, 114801.
9. Мартинелли, RU (1973). Влияние неровностей катода на пространственное разрешение кинескопов с бесконтактной фокусировкой. Прикладная оптика , 12 (8), 1841. doi :10.1364/AO.12.001841.
10. Сиггинс, Т; Синклер, К; Бон, К; Буллард, Д; Дуглас, Д; Гриппо, А; Губели, Дж; Крафт, Джорджия; Юнн, Б. (21 декабря 2001 г.). «Производительность фотокатодной пушки DC GaAs для ЛСЭ лаборатории Джефферсона». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . ФЭЛ2000: Учеб. 22-й Международный Конференция по лазерам на свободных электронах и 7-й семинар пользователей F EL. 475 (1): 549–553. Бибкод : 2001NIMPA.475..549S. дои : 10.1016/S0168-9002(01)01596-0. ISSN  0168-9002.
11. Мамун, Массачусетс; Эрнандес-Гарсия, К.; Поелкер, М.; Эльмустафа, А.А. (1 июня 2015 г.). «Корреляция срока службы фотокатода CsK2Sb с толщиной сурьмы». Материалы АПЛ . 3 (6): 066103. Бибкод : 2015APLM....3f6103M. дои : 10.1063/1.4922319 .
12. Филдинг, Раймонд (1983). Технологическая история кино и телевидения. Издательство Калифорнийского университета. стр. 360. ISBN 9780520050648.
13. Пирс, DT; Селотта, Р.Дж.; Ван, Г.-К.; Унертль, Западная Нью-Йорк; Галейс, А.; Куятт, CE; Мельчарек, СР (апрель 1980 г.). «Источник спин-поляризованных электронов GaAs». Обзор научных инструментов . 51 (4): 478–499. Бибкод : 1980RScI...51..478P. дои : 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}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
15. Грэмс, Дж.; Сулейман Р.; Аддерли, Пенсильвания; Кларк, Дж.; Ханскнехт, Дж.; Мачи, Д.; Поелкер, М.; Штуцман, МЛ (20 апреля 2011 г.). «Измерения срока службы заряда и флюенса высоковольтной фотопушки GaAs постоянного тока при высоком среднем токе». Специальные темы физического обзора: ускорители и пучки . 14 (4): 043501. Бибкод : 2011PhRvS..14d3501G. doi : 10.1103/physrevstab.14.043501 . ISSN  1098-4402.

Внешние ссылки

• Основы и применение фотоумножителей от Hamamatsu Photonics