Фотокатоды, основные характеристики, режим работы

Что такое фотокатод?

"Фотокатод — это элемент, который излучает электроны под воздействием света или другого электромагнитного излучения..."

Полезные статьи:

Что такое фотометры?

Оптические датчики. Виды, принцип работы

Все статьи

Введение

Фотокатод - это электрод, изготовленный из фотоэмиссионного материала, из которого электроны могут быть выпущены в свободное пространство с помощью внешнего фотоэлектрического эффекта. Используя другой электрод, называемый анодом, удерживается при существенно более положительном электрическом потенциале. Можно отводить фотоэлектроны от фотокатода и получать фототок, который пропорционален падающей оптической мощности в широком динамическом диапазоне.

Этот эффект по существу используется в фототрубке. Фотокатоды также используются в других фотоприемных устройствах, а именно в фотоумножителях, а также в инфракрасных зрителях, полосовых камерах, усилителях изображения и преобразователях изображения. Кроме того, импульсные фотокатоды, которые освещаются ультракороткими лазерными импульсами, используются в некоторых ускорителях частиц.

Фотокатоды обычно должны эксплуатироваться в высоком вакууме – обычно в вакуумированной стеклянной трубке. Затем спектральная чувствительность может быть ограничена прозрачностью используемого материала оптического окна. Например, ультрафиолетовые детекторы могут быть оснащены оптическим окном из фторида магния, которое прозрачно для света с длинами волн выше 115 нм. Другие работают с УФ-стеклами с короткой длиной волны около 185 нм, например, или с боро-силикатными стеклами для пропускания от 0,3 мкм и далее.

Фотокатоды в режиме отражения и передачи

Толстые фотокатоды, например, состоящие из непрозрачной металлической пластины, могут излучать электроны только на освещенной стороне. Их называют отражающими или катодами с режимом отражения. Хотя они работают с поглощенным, а не с отраженным светом. Их отражательная способность не должна быть высокой в интересующей области длин волн.

Различные устройства содержат очень тонкие фотокатоды, из которых фотоэлектроны могут быть извлечены с противоположной стороны. Такие фотокатоды в режиме передачи необходимы для усилителей изображения, где электроды сильно ограничивают доступ света со своей стороны, а также для фотоумножителей лобового действия. 

Поскольку электроны не могут перемещаться на значительные расстояния в материале без сильного взаимодействия с ним, фотокатоды передающего типа требуют, чтобы свет мог распространяться через них. В то же время должно быть значительное поглощение, поскольку непоглощенный свет, конечно, не может производить никаких фотоэлектронов. Поэтому фотокатоды пропускающего типа должны быть очень тонкими, например, в виде тонкой пленки, нанесенной на внутреннюю сторону стеклянной трубки. Их квантовая эффективность обычно несколько ниже, чем у отражающих фотокатодов.

Чувствительность на длинноволновом крае может быть существенно снижена при использовании тонких пленок, проявляющих лишь ограниченное поглощение в этой спектральной области.

Рабочая функция, спектральный диапазон и квантовая эффективность

Многие фотоэмиссионные материалы имеют рабочую функцию, которая позволяет работать с видимым и ультрафиолетовым светом, но не с инфракрасным. Другие имеют большую рабочую функцию и подходят только для коротких волн в ультрафиолетовом диапазоне, например, ниже 200 нм. Для инфракрасного обнаружения используются полупроводниковые материалы с низкой энергией запрещенной зоны.

Фотоэлектрический эффект обычно хорошо работает при более высоких энергиях фотонов, значительно превышающих работу выхода. Коротковолновый край спектрального диапазона часто ограничен не фотокатодом, а пропусканием оптического окна. Иногда спектральный диапазон намеренно уменьшается с помощью какого-либо оптического фильтра. Например, инфракрасные детекторы часто делаются нечувствительными к видимому и ультрафиолетовому свету.

Не каждый падающий фотон может генерировать фотоэлектроны, поскольку некоторые из фотонов могут отражаться или (для тонкого катода) передаваться или рассеиваться вместо поглощения, и даже не каждый поглощенный фотон может давать фотоэлектрон. Среднее количество фотоэлектронов на падающий фотон, или вероятность того, что один фотон сгенерирует фотоэлектрон, называется квантовой эффективностью фотокатода. 

Обычно он резко падает, когда оптическая длина волны приближается к максимально возможной, определяемой работой выхода. Некоторые фотокатодные материалы достигают квантовой эффективности более 30% в некоторой спектральной области, в то время как другие (особенно те, что для инфракрасного диапазона) ограничены порядка 10% или даже существенно ниже.

Квантовая эффективность фотокатода также зависит от приложенного электрического поля, особенно в диапазоне малых напряжений поля.

Сопротивление

Фотокатоды, изготовленные в виде тонких полупроводниковых пленок, могут обладать значительным электрическим сопротивлением. Это ограничивает их способность выдавать высокие фототоки, то есть работать с высокими уровнями входного света. Затем доступный динамический диапазон соответственно уменьшается.

Обратите внимание, что сопротивление может быть существенно увеличено для работы при низких температурах, что требуется для обнаружения с низким уровнем шума.

Темновой ток от термоэлектронной эмиссии

Фотокатоды могут проявлять некоторое количество темнового тока, который возникает в результате термоэлектронной эмиссии. Электроны могут получать достаточную энергию от формальных процессов, так что они могут покидать материал без какого-либо падающего света. Этот пагубный процесс особенно актуален для таких приложений, как подсчет фотонов, где скорость ложного темнового счета является серьезно ограничивающим параметром производительности.

Термоэлектронное излучение часто очень слабое при комнатной температуре, за исключением материалов с малой работой выхода, как требуется для обнаружения в инфракрасном диапазоне. В таких случаях фотокатод, возможно, потребуется охладить, чтобы уменьшить темновой ток.

Обратите внимание, что температура также несколько влияет на фототок. Фотокатоды обычно имеют отрицательный температурный коэффициент (т. е. уменьшенный ток при более высоких температурах), за исключением длин волн, близких к длинноволновой границе, где процессы с термической поддержкой поддерживают возбуждение.

Импульсный режим работы

Некоторые ускорители частиц, используемые, например, в лазерах на свободных электронах, содержат импульсный фотокатод в качестве электронной пушки. Т.е. для генерации импульсных электронных пучков с чрезвычайно высокой яркостью. Излучение пространственно ограничено за счет жесткой фокусировки ультрафиолетового лазерного луча на фотокатоде, и очень плотное временное ограничение достигается за счет длительности ультракоротких импульсов (обычно в пикосекундной области).

Хотя квантовая эффективность в этом случае не имеет первостепенного значения, требуется фотоэмиссионный материал с высокой проводимостью, поскольку пиковый электрический ток может быть довольно высоким (например, десятки ампер). Фотоэлектроны быстро ускоряются в сильном радиочастотном поле, с которым синхронизируются лазерные импульсы.

Срок службы фотокатодов

Фотокатоды могут иметь очень длительный срок службы (десятки тысяч часов), но ускоренное старение может происходить при различных обстоятельствах:

• Некоторые фотокатоды проявляют некоторое старение даже при хранении при комнатной температуре; поэтому их следует хранить как можно более прохладными. В любом случае хранение или эксплуатация при повышенных температурах могут сократить срок службы.
• Также не следует подвергать воздействию какого-либо интенсивного света, например дневного, потому что они могут ухудшиться или даже быть полностью повреждены.
• В устройствах, работающих с высоким напряжением, например, в фотоумножителях, проблемы могут быть вызваны бомбардировкой фотокатода положительными ионами (которые притягивает отрицательно заряженный электрод); это создает дефекты кристалла, которые могут поглощать свет без генерации фотоэлектронов.

Фотокатодные материалы

Было разработано много различных материалов для фотокатодов, и выбор материала зависит главным образом от требуемых параметров производительности, в основном от спектрального отклика (определяемого в основном работой выхода) и квантовой эффективности, помимо пригодности для режима отражения или передачи. Некоторыми важными материалами фотокатода являются:

• Sb-Cs (цезий–сурьма, Cs₃Sb) широко используется в видимой и ультрафиолетовой областях, в основном для отражающих фотокатодов. Это может быть относительно просто изготовлено путем испарения пленки сурьмы на стеклянной пластине, а затем испарения на нее цезия.
• Материалы такие как Sb-Rb-Cs / Sb-K-Cs, обеспечивают чувствительность в широком спектральном диапазоне, аналогичном Sb-Cs, в сочетании с более низкими темновыми токами, т. е. меньшей мощностью, эквивалентной шуму, и, следовательно, более высокой чувствительностью. Существуют также материалы, содержащие три или более видов щелочных металлов, которые обеспечивают еще более широкий спектральный отклик от ближнего инфракрасного диапазона до ультрафиолета, но их сложнее изготовить.
• Некоторые высокотемпературные щелочные материалы, такие как Sb-Na-K, оптимизированы для работы при более высоких температурах без чрезмерных темновых токов; это необходимо для некоторых применений в горячих средах.
• Ag-O-Cs - это широкополосный материал с чувствительностью примерно от 300 нм до 1,2 мкм. Благодаря своей относительно небольшой рабочей функции он проникает дальше в инфракрасную область, чем некоторые другие материалы, но проявляет более высокие темновые токи. Квантовая эффективность низка и может еще больше упасть в условиях интенсивного освещения.
• Полупроводники, такие как GaAs и InGaAs, могут быть активированы цезием для получения широкого спектрального отклика от ближнего инфракрасного диапазона до ультрафиолетового. Более высокое содержание индия (In) усиливает реакцию в инфракрасном диапазоне.
• Для особенно расширенного инфракрасного отклика, например, до 1,6 мкм, существуют полевые фотокатоды, содержащие p–n переход, например, между InP (на поверхности) и InGaAsP или InGaAs. Фотоэмиссия существенно усиливается за счет подачи напряжения смещения на p-n переход. Такие фотокатоды обычно необходимо эксплуатировать при низких температурах, чтобы ограничить темновой ток.
• Cs-I и Cs-Te являются солнечными слепыми материалами, чувствительными только к длине волны ниже 200 нм (Cs-I) и 300 нм (Cs-Te) соответственно.

Спектральный отклик фотокатода в сочетании с определенным материалом окна часто указывается с обозначением “S” в соответствии с системой, установленной Ассоциацией электронной промышленности. Например, фотокатод S1 изготовлен из Ag-O-Cs в сочетании с окном из боросиликатного или известкового стекла. (Могут использоваться разные стекла, если поглощение составляет около 300 нм.). При использовании разных стекол для одного и того же материала фотокатода могут встречаться разные обозначения.

В принципе, можно было также использовать простые металлы, многие ранние эксперименты работали с ними. Однако они демонстрируют довольно низкую квантовую эффективность.