Фотокатоды: Квантовая эффективность и поперечная энергия электронов.

Введение

Фотокатод – это поверхность, специально разработанная для преобразования света (фотонов) в электроны посредством фотоэлектрического эффекта. Фотокатоды играют важную роль в физике ускорителей, где они применяются в фотоинжекторе для создания электронных пучков высокой яркости. Электронные пучки, генерируемые с помощью фотокатодов, широко используются в лазерах на свободных электронах и для ультрабыстрой электронной дифракции. Фотокатоды также часто служат отрицательно заряженным электродом в устройствах регистрации света, таких как фотоумножители, фототрубки и усилители изображения.

Квантовая эффективность (КЭ)

Квантовая эффективность — это безразмерная величина, характеризующая чувствительность фотокатода к свету. Она определяется как отношение числа испускаемых электронов к числу падающих фотонов. Данное свойство зависит от длины волны света, используемого для освещения фотокатода. Для многих приложений квантовая эффективность является наиболее важной характеристикой, поскольку фотокатоды применяются исключительно для преобразования фотонов в электрический сигнал. Квантовую эффективность можно рассчитать по величине фототока, мощности лазера и либо энергии фотона, либо длине волны лазера, используя следующее уравнение.

Средняя поперечная энергия (MTE) и тепловая излучение

Для некоторых приложений важно распределение начального импульса излучаемых электронов, и средняя поперечная энергия (MTE) и тепловая эмиттанция являются популярными метриками для этого. MTE – это дисперсия поперечного импульса в направлении вдоль поверхности фотокатода и чаще всего приводится в единицах миллиэлектронвольт. В фотоинжекторах с высокой яркостью MTE помогает определить начальную эмиттанцию пучка, которая представляет собой площадь в фазовом пространстве, занимаемую электронами. Эмиттанцию можно рассчитать из MTE и размера лазерного пятна на фотокатоде, используя следующее уравнение: где – масса электрона в состоянии покоя. В обычно используемых единицах это выглядит следующим образом. Из-за масштабирования поперечной эмиттанции с MTE, иногда полезно записывать уравнение с точки зрения новой величины, называемой тепловой эмиттанцией. Тепловая эмиттанция выводится из MTE, используя следующее уравнение. Чаще всего она выражается в соотношении мкм/мм для выражения роста эмиттанции в единицах мкм при увеличении размера лазерного пятна (измеряемого в единицах мм). Эквивалентным определением MTE является температура электронов, излучаемых в вакууме. MTE электронов, излучаемых обычно используемыми фотокатодами, такими как поликристаллические металлы, ограничивается избыточной энергией (разницей между энергией падающих фотонов и работой выхода фотокатода), передаваемой электронам. Для ограничения MTE фотокатоды часто работают вблизи порога фотоэмиссии, где избыточная энергия стремится к нулю. В этом пределе большая часть фотоэмиссии происходит от хвоста распределения Ферми. Поэтому MTE термически ограничена величиной , где – постоянная Больцмана, а – температура электронов в твердом теле. Вследствие сохранения поперечного импульса и энергии в процессе фотоэмиссии, MTE чистого, атомно упорядоченного, монокристаллического фотокатода определяется зонной структурой материала. Идеальная зонная структура для низких MTE – та, которая не допускает фотоэмиссии из состояний с большим поперечным импульсом. Помимо физики ускорителей, MTE и тепловая эмиттанция играют роль в разрешении устройств проксимальной фокусировки, использующих фотокатоды. Это важно для таких приложений, как усилители изображения, преобразователи длины волны и устаревшие электронно-лучевые трубки.

For some applications, the initial momentum distribution of emitted electrons is important and the mean transverse energy (MTE) and thermal emittance are popular metrics for this. The MTE is the variance of the transverse momentum in a direction along the photocathode's surface and is most commonly reported in units of milli electron volts. In high brightness photoinjectors, the MTE helps to determine the initial emittance of the beam which is the area in phase space occupied by the electrons. The emittance can be calculated from MTE and the laser spot size on the photocathode using the following equation. where is the rest mass of an electron. In commonly used units, this is as follows. Because of the scaling of transverse emittance with MTE, it is sometimes useful to write the equation in terms of a new quantity called the thermal emittance. The thermal emittance is derived from MTE using the following equation. It is most often expressed in the ratio um/mm to express the growth of emittance in units of um as the laser spot grows (measured in units of mm). An equivalent definition of MTE is the temperature of electrons emitted in vacuum. The MTE of electrons emitted from commonly used photocathodes, such as polycrystalline metals, is limited by the excess energy (the difference between the energy of the incident photons and the photocathode's work function) provided to the electrons. To limit MTE, photocathodes are often operated near the photoemission threshold, where the excess energy tends to zero. In this limit, the majority of photoemission comes from the tail of the Fermi distribution. Therefore, MTE is thermally limited to , where is the Boltzmann constant and is the temperature of electrons in the solid. Due to conservation of transverse momentum and energy in the photoemission process, the MTE of a clean, atomically ordered, single crystalline photocathode is determined by the material's band structure. An ideal band structure for low MTEs is one that does not allow photoemission from large transverse momentum states. Outside of accelerator physics, MTE and thermal emittance play a role in the resolution of proximity focused imaging devices that use photocathodes. This is important for applications such as image intensifiers, wavelength converters, and the now obsolete image tubes.

Время жизни

Многие фотокатоды требуют превосходного вакуума для работы и "отравляются" при воздействии загрязнений. Кроме того, использование фотокатодов в приложениях с высоким током постепенно повреждает их материалы из-за ионной бомбардировки вторичными ионами. Эти эффекты количественно оцениваются сроком службы фотокатода. Отказ катода моделируется убывающей экспонентой в зависимости либо от времени, либо от накопленного заряда. Срок службы определяется как постоянная времени этой экспоненты.

Применение

На протяжении многих лет фотокатод был единственным практически применимым методом преобразования света в электронный ток. В связи с этим он, как правило, функционировал как разновидность "электрической пленки" и обладал многими характеристиками фотографии. Поэтому он являлся ключевым элементом в оптоэлектронных устройствах, таких как трубки телевизионных камер, например, ортикон и видикон, а также в индикаторных электронно-оптических приборах, таких как усилители, преобразователи и диссекторы. Простые фототрубки использовались в датчиках движения и счетчиках. Фототрубки на протяжении многих лет применялись в кинопроекторах для считывания звуковых дорожек на краю кинопленки. Более позднее развитие твердотельных оптических приборов, таких как фотодиоды, привело к сокращению использования фотокатодов до тех случаев, когда они по-прежнему превосходят полупроводниковые приборы.

Строительство

Фотокатоды работают в вакууме, поэтому их конструкция аналогична технологии вакуумных ламп. Поскольку большинство катодов чувствительны к воздуху, изготовление фотокатодов обычно происходит после откачки корпуса. В процессе работы фотокатоду требуется электрическое поле с расположенным рядом положительным анодом для обеспечения эмиссии электронов. Эпитаксия молекулярных пучков широко используется в современном производстве фотокатодов. Используя подложку с согласованными параметрами решетки, можно создавать кристаллические фотокатоды, при этом электронные пучки исходят из одной и той же точки в зоне Брилюэна решетки, что позволяет получить электронные пучки высокой яркости. Фотокатоды делятся на две основные группы: просвечивающие и отражающие. Просвечивающий тип обычно представляет собой покрытие на стеклянном окне, куда свет попадает с одной стороны, а электроны выходят с противоположной. Отражающий тип обычно формируется на непрозрачном металлическом электроде, где свет входит и электроны выходят с одной и той же стороны. Существует также вариант с двойным отражением, где металлическое основание действует как зеркало, заставляя свет, прошедший через фотокатод без вызова эмиссии, отражаться обратно для повторной попытки. Это имитирует сетчатку у многих млекопитающих. Эффективность фотокатода обычно выражается квантовой эффективностью, то есть отношением числа испущенных электронов к числу падающих квантов (света). Эффективность также зависит от конструкции и может быть увеличена при использовании более сильного электрического поля.

Характеристика

Поверхность фотокатодов может быть охарактеризована различными методами, чувствительными к поверхности, такими как сканирующая туннельная микроскопия (STM) и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.

Покрытия

Хотя обычный металлический катод демонстрирует фотоэлектрические свойства, специализированное покрытие значительно усиливает этот эффект. Фотокатод обычно состоит из щелочных металлов с очень низкой работой выхода. Покрытие высвобождает электроны гораздо легче, чем основной металл, что позволяет ему обнаруживать фотоны низкой энергии в инфракрасном излучении. Линза передает излучение от наблюдаемого объекта на слой покрытого стекла. Фотоны сталкиваются с металлической поверхностью и передают электроны на ее обратную сторону. Затем освобожденные электроны собираются для формирования конечного изображения.

Фотокатодные материалы

Ag O Cs, также называемый S 1. Это был первый сложный фотокатодный материал, разработанный в 1929 году. Чувствительность от 300 нм до 1200 нм. Поскольку Ag O Cs имеет более высокий темный ток, чем современные материалы, фотоэлектронные умножители с этим фотокатодом в настоящее время используются только в инфракрасной области с охлаждением. Sb Cs (цезий-антимонид) имеет спектральный отклик от УФ до видимого диапазона и в основном применяется в фотокатодах в режиме отражения. Биалкалии (цезий-рубидий-антимонид Sb Rb Cs, цезий-калий-антимонид Sb K Cs). Диапазон спектрального отклика аналогичен фотокатоду Sb Cs, но с более высокой чувствительностью и меньшим темным током. Они обладают чувствительностью, хорошо согласованной с наиболее распространенными материалами-сцинтилляторами, и поэтому часто используются для измерения ионизирующего излучения в сцинтилляционных счетчиках. Высокотемпературные биалкалии или биалкалии с низким уровнем шума (натрий-калий-антимонид, Na K Sb). Этот материал часто используется при геологоразведке скважин, поскольку выдерживает температуры до 175 °C. При комнатной температуре этот фотокатод работает с очень низким темным током, что делает его идеальным для использования в приложениях по подсчету фотонов. Мультиалкалии (цезий-натрий-калий-антимонид, Na K Sb Cs), также называемый S 20. Мультиалкальный фотокатод имеет широкий спектральный отклик от ультрафиолетового до ближней инфракрасной области. Он широко используется в широкополосных спектрофотометрах и приложениях по подсчету фотонов. Отклик на длинные волны можно расширить до 930 нм с помощью специальной обработки активации фотокатода. С расширенным откликом он иногда называется S 25. GaAs (арсенид галлия). Этот фотокатодный материал охватывает более широкий диапазон спектрального отклика, чем мультиалкалии, от ультрафиолетового до 930 нм. Фотокатоды GaAs также используются в ускорителях, где требуются поляризованные электроны. Важным свойством фотокатода GaAs является возможность достижения отрицательного электронного сродства благодаря осаждению Cs на поверхности. Однако GaAs очень хрупок и теряет квантовую эффективность (КЭ) из-за нескольких механизмов повреждения. Ионная бомбардировка является одной из основных причин снижения КЭ катода GaAs. InGaAs (арсенид индия и галлия). Расширенная чувствительность в инфракрасном диапазоне по сравнению с GaAs. Кроме того, в диапазоне от 900 нм до 1000 нм InGaAs имеет значительно лучшее отношение сигнал/шум, чем Ag O Cs. С использованием специальных технологий производства этот фотокатод может работать до 1700 нм. Cs Te, Cs I (теллурид цезия, йодид цезия). Эти материалы чувствительны к вакуумному УФ и УФ-излучению, но не к видимому свету, поэтому их называют "слепыми к солнечному свету". Cs Te нечувствителен к длинам волн более 320 нм, а Cs I – к длинам волн более 200 нм.

Ag O Cs, also called S 1. This was the first compound photocathode material, developed in 1929. Sensitivity from 300 nm to 1200 nm. Since Ag O Cs has a higher dark current than more modern materials, photomultiplier tubes with this photocathode material are nowadays used only in the infrared region with cooling. Sb Cs (antimony caesium) has a spectral response from UV to visible and is mainly used in reflection mode photocathodes. Bialkali (antimony rubidium caesium Sb Rb Cs, antimony potassium caesium Sb K Cs). Spectral response range similar to the Sb Cs photocathode, but with higher sensitivity and lower dark current than Sb Cs. They have sensitivity well matched to the most common scintillator materials and so are frequently used for ionizing radiation measurement in scintillation counters. High temperature bialkali or low noise bialkali (sodium potassium antimony, Na K Sb). This material is often used in oil well logging since it can withstand temperatures up to 175 °C. At room temperatures, this photocathode operates with very low dark current, making it ideal for use in photon counting applications. Multialkali (sodium potassium antimony caesium, Na K Sb Cs), also called S 20. The multialkali photocathode has a wide spectral response from the ultraviolet to near infrared region. It is widely used for broad band spectrophotometers and photon counting applications. The long wavelength response can be extended to 930 nm by a special photocathode activation processing. With the broadened response, this is sometimes referred to as S 25. GaAs (gallium(II) arsenide). This photocathode material covers a wider spectral response range than multialkali, from ultraviolet to 930 nm. GaAs photocathodes are also used in accelerator facilities where polarized electrons are required. One of the important property of GaAs photocathode is, it can achieve Negative Electron Affinity due to Cs deposition on the surface. However GaAs is very delicate and loses Quantum Efficiency(QE) due to couple of damage mechanism. Ion Back Bombardment is one of the main cause of GaAs cathode QE decay. InGaAs (indium gallium arsenide). Extended sensitivity in the infrared range compared to GaAs. Moreover, in the range between 900 nm and 1000 nm, InGaAs has a much better signal to noise ratio than Ag O Cs. With special manufacturing techniques this photocathode can operate up to 1700 nm. Cs Te, Cs I (caesium telluride, caesium iodide). These materials are sensitive to vacuum UV and UV rays but not to visible light and are therefore referred to as solar blind. Cs Te is insensitive to wavelengths longer than 320 nm, and Cs I to those longer than 200 nm.