Кіріспе

Фотокатод – фотоэлектрлік эффектіні пайдаланып, жарықты (фотондарды) электрондарға түрлендіретін арнайы жасалған бет. Фотокатодтар үдеткіш физикасында маңызды роль атқарады, олар фотоинжекторларда жоғары жарықтандырылған электрондық сәулелерді жасау үшін пайдаланылады. Фотокатодтар арқылы жасалған электрондық сәулелер бос электронды лазерлерде және ультражылдам электрондық дифракцияда кеңінен қолданылады. Фотокатодтар сондай-ақ фотокөбейтуші, фотоқұбыр және бейне күшейткіш сияқты жарықті анықтау құрылстарында теріс зарядталған электрод ретінде жиі қолданылады.

Кванттық тиімділік (QE)

Кванттық тиімділік – фотокатодтың жарыққа сезімталдығын өлшейтін өлшемсіз сан. Ол шығарылған электрондар санының түскен фотондар санына қатынасы болып табылады. Бұл қасиет фотокатодты жарықтандыруға қолданылатын жарықтың толқын ұзындығына байланысты. Көптеген қолданбалар үшін КТТ ең маңызды қасиет, себебі фотокатодтардың негізгі міндеті – фотондарды электр сигналына түрлендіру. Кванттық тиімділікті фототок, лазерлік қуат және фотон энергиясы немесе лазерлік толқын ұзындығы арқылы келесі теңдеуді пайдаланып есептеуге болады.

Орташа көлденең энергия (МТЭ) және жылулық эмитент

Кейбір қолданбалар үшін шығарылған электрондардың бастапқы импульс таралуы маңызды, ал орташа көлденең энергия (MTE) және жылулық эмиттанстығы осы мақсатта қолданылатын кең таралған өлшемдер болып табылады. MTE – фотокатодтың бетіндегі көлденең импульстің дисперсиясы және әдетте миллиэлектронвольт бірліктерінде беріледі. Жоғары жарықты фотоинжекторларда MTE сәуленің бастапқы эмиттанстығын анықтауға көмектеседі, ол электрондардың фазалық кеңістікте қамтитын ауданы болып табылады. Эмиттансты MTE және фотокатодтағы лазерлік дақтың мөлшерінен келесі теңдеу арқылы есептеуге болады, мұнда – электронның тыныш массасы. Көбінесе қолданылатын бірліктерде бұл келесідей көрінеді. MTE арқылы көлденең эмиттанстың масштабталуына байланысты, кейде теңдеуді «жылулық эмиттанстық» деп аталатын жаңа шамамен жазу ыңғайлы. Жылулық эмиттанстық келесі теңдеуді қолдана отырып MTE-ден туындайды. Ол көбінесе лазерлік дақ мөлшерінің өсуімен (мм бірліктерінде өлшенген) эмиттанстықтың өсуін мкм/мм қатынасында көрсету үшін қолданылады. MTE-нің баламалы анықтамасы – вакуумда эмиссияланатын электрондардың температурасы. Поликристаллды металдар сияқты кеңінен қолданылатын фотокатодтардан эмиссияланатын электрондардың MTE-і электрондарға берілетін артық энергиямен (инцидентті фотондардың энергиясы мен фотокатодтың жұмыс функциясы арасындағы айырмашылық) шектеледі. MTE-ді шектеу үшін фотокатодтар көбінесе фотоэмиссия шегіне жақын жұмыс істейді, онда артық энергия нөлге жақындайды. Бұл жағдайда фотоэмиссияның көп бөлігі Ферми таралуының «құйрығынан» пайда болады. Сондықтан MTE термиялық түрде , мұнда – Больцман тұрақтысы және – қатты денедегі электрондардың температурасымен шектеледі. Фотоэмиссия процесінде көлденең импульс пен энергияның сақталуына сәйкес, таза, атомдық реттелген, бір кристалды фотокатодтың MTE-і материалдың энергиялық аймақ құрылымымен анықталады. Төмен MTE үшін идеалды энергиялық аймақ құрылымы – үлкен көлденең импульс күйлерінен фотоэмиссияға рұқсат бермейтін құрылым. Ұқсату физикасынан тыс, MTE және жылулық эмиттанстық фотокатодтарды пайдаланатын жақындықтағы бейнелеу құрылғыларының ажыратымдылығында маңызды рөл атқарады. Бұл бейне күшейткіштер, толқын ұзындығын түрлендіргіштер және қазірде қолданылмайтын бейне түтікшелері сияқты қолданбалар үшін маңызды.

Өмір бойы

Көптеген фотокатодтар жұмыс істеу үшін тамаша вакуум жағдайларын қажет етеді және ластанушы заттарға ұшырағанда "уланады". Сонымен қатар, фотокатодтарды жоғары токпен пайдалану, оларды иондардың кері бомбалауына ұшырағанда, қосылыстардың бірте-бірте зақымдануына әкеледі. Бұл әсерлер фотокатодтың қызмет ету мерзімімен сипатталады. Катодтың тоқырауы уақытқа немесе шығарылған зарядқа байланысты төмендейтін экспоненциалды функция ретінде модельделеді. Қызмет ету мерзімі – бұл экспонентаның уақыт тұрақтысы.

Қолданылуы

Көп жылдар бойы фотокатод жарықты электрондық токқа түрлендірудің жалғыз тиімді тәсілі болды. Осы себепті ол «электрлік пленка» сияқты жұмыс істеді және фотографияның көптеген ерекшеліктерін бөлісті. Сондықтан ол оптоэлектрондық құрылғылардың, мысалы, телекамера түтікшелерінің (ортикон және видикон сияқты) және бейне түтікшелерінің (күшейткіштер, түрлендіргіштер және диссекторлар сияқты) маңызды бөлігі болды. Жабық фототүтіктер қозғалыс детекторы және санағыштар үшін қолданылды. Фототүтіктер кинофильмдерінің жиегіндегі дыбыс жолдарынан ақпаратты оқу үшін кинопроекторларда көп жылдардан бері пайдаланылып келеді. Фотодиодтар сияқты жаңа қатты күйдегі оптикалық құрылғылардың пайда болуы фотокатодтардың қолданылу аясын оларды жартылай өткізгіш құрылғылардан артық тұратын жағдайлармен шектеді.

Құрылыс

Фотокатодтар вакуумда жұмыс істейді, сондықтан олардың құрылымы вакуумдық түтіктер технологиясына ұқсас. Көптеген катодтар ауаға сезімтал болғандықтан, фотокатодтарды құрастыру әдетте корпус вакуумдалып болғаннан кейін жүргізіледі. Жұмыс істеу үшін фотокатодқа электрондарды эмиссиялау үшін жақын жердегі оң анодпен электр өрісі қажет. Молекулалық сәулелі эпитаксия қазіргі фотокатодтар өндірісінде кеңінен қолданылады. Тор параметрлері сәйкес келетін субстратты пайдалану арқылы кристаллдық фотокатодтар жасауға болады, ал электрондық сәулелер тордың Бриллюэн аймағындағы бірдей позициядан шығып, жоғары жарықтылық электрондық сәулелерді қамтамасыз етеді. Фотокатодтар екі негізгі топқа бөлінеді: өткізгіш және шағылыстыратын. Өткізгіш тип әдетте шыны терезеге жабылатын қабат болып табылады, онда жарық бір бетке түседі және электрондар қарсы беттен шығады. Шағылыстыратын тип әдетте жарық кіретін және электрондар шығатын бір жақтан мөлдір емес металл электрод негізінде жасалады. Бір түрі – қос шағылыстыру типі, онда металл негіз айна сияқты болады, фотокатод арқылы өткен жарық эмиссияны тудырмаса, оны екінші рет қайтару үшін кері қайтарады. Бұл көптеген сүтқоректілердің тор қабығына ұқсас. Фотокатодтың тиімділігі әдетте кванттық тиімділік ретінде көрсетіледі, яғни шығарылған электрондардың жарық кванттарына (сәулелерге) қатынасы. Тиімділік құрылысына байланысты да өзгереді, себебі оны күштірек электр өрісімен жақсартуға болады.

Қасиеттері

Фотокатодтардың беті сканирлеуші түнельдік микроскопия (СТМ) және рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия сияқты әртүрлі бетке сезімтал техникалар арқылы сипатталуы мүмкін.

Қаптамалар

Қарапайым металл катод фотоэлектрлік қасиеттерді көрсетсе де, арнайы жабын осы әсерді едәуір күшейтеді. Фотокатод әдетте өте төмен жұмыс функциясына ие сілті металдарынан тұрады. Бұл жабын негізгі металлға қарағанда электрондарды әлдеқайда оңай босатады, инфрақызыл сәуледегі төмен энергиялы фотондарды анықтауға мүмкіндік береді. Линза қарастырылып отырған нысаннан келетін сәулені жабын жағылған шыны қабатына бағыттайды. Фотондар металл бетіне түсіп, электрондарды оның арт жағына жеткізеді. Босатылған электрондар жиналып, түпкі сурет құралады.

Фотокатодтық материалдар

Ag O Cs, сондай-ақ S 1 деп аталады. Бұл 1929 жылы жасалған алғашқы фотокатодтық материал. Сезімталдығы 300 нм-ден 1200 нм-ге дейін. Ag O Cs қазіргі заманғы материалдарға қарағанда жоғары қараңғы токқа ие болғандықтан, осы фотокатодты материалды фотомультипликатор құбырларында қазіргі уақытта тек суытумен бірге инфрақызыл аймақта ғана қолданады. Sb Cs (антимон цезий) ультракөк сәуледен көрінетін сәулеге дейінгі спектрлік жауапқа ие және негізінен рефлексиялық режимдегі фотокатодтарда қолданылады. Биалкалий (антимон рубидий цезий Sb Rb Cs, антимон калий цезий Sb K Cs). Спектрлік жауап диапазоны Sb Cs фотокатодына ұқсас, бірақ Sb Cs-ке қарағанда жоғары сезімталдыққа және төмен қараңғы токқа ие. Олардың сезімталдығы ең көп таралған сцинтиллятор материалдарына жақсы сәйкес келеді, сондықтан олар сцинтилляциялық есептегіштерде иондаушы сәулелерді өлшеу үшін жиі қолданылады. Жоғары температуралы биалкалий немесе төмен шулы биалкалий (натрий калий антимоны, Na K Sb). Бұл материал көбінесе мұнай ұңғымаларын зерттеуде қолданылады, өйткені ол 175 °C-қа дейінгі температураға төтеп бере алады. Бөлме температурасында бұл фотокатод өте төмен қараңғы токпен жұмыс істейді, бұл оны фотондарды санау қолданбалары үшін өте қолайлы етеді. Мультиалкалий (натрий калий антимон цезий, Na K Sb Cs), сондай-ақ S 20 деп те аталады. Көпсілтілі фотокатод ультракөк сәуледен жақын инфрақызыл аймаққа дейінгі кең спектрлік жауапқа ие. Ол кең жолақты спектрофотометрлер мен фотондарды санау үшін кеңінен қолданылады. Ұзын толқынды жауапты арнайы фотокатодты белсендіру арқылы 930 нм-ге дейін ұзартуға болады. Жауабы кеңейтілген жағдайда, бұл кейде S 25 деп аталады. GaAs (галлий(II) арсениді). Бұл фотокатодтық материал ультракөк сәуледен 930 нм-ге дейінгі көпсілтіліге қарағанда кең спектрлік жауап диапазонын қамтиды. GaAs фотокатодтары поляризацияланған электрондар қажет болатын үдеткіштерде де қолданылады. GaAs фотокатодының маңызды қасиеттерінің бірі – ол бетінде Cs жинақталуына байланысты теріс электрондық туыстыққа қол жеткізе алады. Дегенмен, GaAs өте нәзік және бірнеше зақымдану механизмдерінің салдарынан кванттық тиімділігін жоғалтады. Иондық кері бомбалау – GaAs катодының кванттық тиімділігінің төмендеуіне себеп болатын негізгі факторлардың бірі. InGaAs (индий галлий арсениді). GaAs-пен салыстырғанда инфрақызыл диапазонда кеңейтілген сезімталдық. Сонымен қатар, 900 нм мен 1000 нм аралығында InGaAs сигналдың шуға қатынасы Ag O Cs-қа қарағанда әлдеқайда жақсы. Арнайы өндіріс әдістерімен бұл фотокатод 1700 нм-ге дейін жұмыс істей алады. Cs Te, Cs I (цезий теллуриді, цезий йодиді). Бұл материалдар вакуумдық ультракөк сәуле мен ультракөк сәулеге сезімтал, бірақ көрінетін жарыққа сезімтал емес, сондықтан оларды күн сәулесіне сезімтал емес деп атайды. Cs Te 320 нм-ден ұзын толқын ұзындығына, ал Cs I 200 нм-ден ұзын толқын ұзындығына сезімтал емес.