Фотакатод

Фотакатод — адмоўна зараджаны электрод (катод) у святлоадчувальных прыладах, якія працуюць з выкарыстаннем знешняга фотаэфекту (у прыватнасці, у фотамножніках, фотаэлементах, электронна-аптычных пераўтваральніках і іншых вакуумных фотаэлектронных прыборах). Фотакатоды вырабляюцца з электраправодных святлоадчувальных злучэнняў. Калі на фотакатод трапляе квант святла (фатон), паглынутая энергія выклікае эмісію электронаў за кошт знешняга фотаэфекту.

Пакрыцці

Хоць нават просты металічны катод будзе праяўляць фотаэлектрычныя ўласцівасці, аднак яго квантавы выхад не перавышае 0,001 фотаэлектроннага на падаючы фатон. Спецыяльныя пакрыцця значна ўзмацняюць фотаэфект. Фотакатод звычайна складаецца з паўправадніковых матэрыялаў (у прыватнасці, злучэнняў шчолачных металаў з сурмой і/або іншымі неметаламі), якія маюць вельмі нізкую працу выхаду. Існуюць фотакатоды з адмоўнай працай выхаду.

Пакрыццё вызваляе электроны значна лягчэй, чым метал падкладкі, што дазваляе дэтэктаваць нават низкіэнергетычныя фатоны інфрачырвонага выпраменьвання. Аптычная сістэма перадае выпраменьванне ад вопытнага аб'екта на фотакатод, які звычайна пакрывае частку шкляной колбы вакуумнага фотаэлектрычнага прыбора або знаходзіцца на металічнай падкладцы ўнутры аб'ёму. Фатоны трапляюць на метал і перадаюць энергію электронам, якія дрэйфуюць да адкрытай паверхні фотакатода і выходзяць у вакуум. Вызваленыя электроны затым збіраюцца з дапамогай электроннай оптыкі на першы дзінод (у ФЭМ), на анод (у фотаэлементах) і т.п.

Матэрыялы фотакатодаў

• Ag-O-Cs (срэбна-кіслародна-цэзіевы), званы таксама S-1. Гэта быў першы шматкампанентны матэрыял для фотакатодаў; ён быў распрацаваны ў 1929 годзе. Спектральная адчувальнасць ад 300 нм да 1200 нм. Паколькі Ag-O-Cs мае больш высокі цемнавы ток, чым сучасныя матэрыялы, фотаэлектронныя множнікі з гэтым матэрыялам фотакатода ў цяперашні час выкарыстоўваюцца толькі ў інфрачырвонай вобласці з астуджэннем.
• Sb-Cs (сурмяна-цэзіевы, на аснове антыманіда цэзію Cs₃Sb) мае спектральную адчувальнасць ад ультрафіялетавага да бачнага святла (максімум у сіне-зялёнай вобласці, 420 нм); выкарыстоўваецца ў асноўным у фотакатодах, якія працуюць у адлюстравальнам рэжыме.
• Бішчолачны (сурмяна-рубідыева-цэзіевы Sb-Rb-Cs, сурмяна-каліева-цэзіевы Sb-K-Cs). Спектральны дыяпазон падобны да Sb-Cs фотакатод (сіняя і зялёная вобласць), але адчувальнасць вышэй, а цемнавы ток ніжэй. Іх адчувальнасць добра падыходзіць да спектрах высвятлення найбольш распаўсюджаных сцынтыляцыйных матэрыялаў, таму гэтыя фотокатодом часта выкарыстоўваюцца для вымярэння іанізуючых выпраменьванняў з дапамогай сцынтыляцыйных дэтэктараў. Sb-K-Cs фотакатод больш адчувальны, але мае ўдвая больш высокі цемнавы ток у параўнанні з Sb-Rb-Cs.
• Высокатэмпературны бішчолачны, або нізкашумлівы бішчолачны (натрыева-каліева-сурмяны, Na-K-Sb). Гэты матэрыял фотакатода часта выкарыстоўваецца ў свідравіннам каротажа, паколькі ён можа працаваць пры тэмпературах да 175 °C. Пры пакаёвай тэмпературы гэты фотакатод працуе з вельмі нізкім узроўнем цемнавога току, што робіць яго ідэальным для прыкладанняў, якія выкарыстоўваюць кошт фатонаў.
• Мультышчолачны (натрыева-каліева-сурмяна-цэзіевы, Na-K-Sb-Cs), званы таксама S-20. Мультышчолачны фотакатод мае шырокі дыяпазон спектральнай адчувальнасці ад ультрафіялетавай да блізкай інфрачырвонай вобласці. Ён часта ўжываецца для шырокапалосных спектрафатометраў і прыкладанняў, якія выкарыстоўваюць кошт фатонаў. Даўгахвалевая вобласць адчувальнасці можа быць пашырана да 930 нм пры спецыяльнай актывацыйнай апрацоўцы фотакатода. Фотакатод складаецца з плёнкі бішчолачнага Na-K-Sb, пакрытай дыпольным павярхоўным пластом Cs-Sb або Cs, якія зніжаюць працу выхаду электрона да нуля ці ніжэй.
• GaAs (арсеніда-галіевы). Адчувальнасць гэтага фотакатода ахоплівае яшчэ больш шырокі спектральны дыяпазон, чым мультышчолачнага, ад ультрафіялету да 930 нм.
• InGaAs (арсеніда-галіе-індыевы). Характарызуецца палепшанай адчувальнасцю ў інфрачырвоным дыяпазоне па параўнанні з GaAs. Акрамя таго, у дыяпазоне ад 900 да 1000 нм InGaAs мае значна лепшае стаўленне сігнал-шум, чым Ag-O-Cs. Пры вырабе па спецыяльнай тэхналогіі гэты фотакатод можа працаваць да 1700 нм.
• Cs-Te, Cs-I (тэлурыд цэзію, ёдыд цэзію). Гэтыя матэрыялы адчувальныя да вакуумнаму і бліжняму ўльтрафіялету, але не да святла. Таму яны называюцца сонечна-сляпымі. Cs-Te неадчувальны да даўжыні хваляў больш за 320 нм, а Cs-I - больш за 200 нм. Існуюць таксама сонечна-сляпыя фотакатоды з K-Br (браміду калію) і Rb-Te (тэллурыду рубідыю)

Асноўныя характарыстыкі фотакатодаў

• Квантавы выхад фотаэлектроннай эмісіі — колькасць фотаэлектронаў на адзін паглынуты фатон.
• Інтэгральная энергетычная адчувальнасць — адносіна фотатока да магутнасці падальнага выпраменьвання, вымяраецца ў амперах на ват.
• Інтэгральная фотаметрычная адчувальнасць — адносіна фотатока да падальнага светлавога патоку ад стандартнага крыніцы святла (лямпа напальвання з вальфрамавай ніткай, нагрэтай да тэмпературы 2850 К), вымяраецца ў амперах на люмен.
• Шчыльнасць цемнавога току. Вымяраецца ў амперах на см², залежыць ад тэмпературы.
• Токаустойлівасць — максімальная шчыльнасць фотатока, што не вядуць да дэградацыі фотакатода.
• Дыяпазон рабочых тэмператур

Спасылкі

• Photomultiplier Tubes Basics and Applications from Hamamatsu Photonics K.К.
• Фотоэлектронные умножители (ФЭУ).