Fotocátodo

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Un fotocátodo es una superficie diseñada para convertir la luz (fotones) en electrones mediante el efecto fotoeléctrico. Los fotocátodos son importantes en la física de aceleradores, donde se utilizan en un fotoinyector para generar haces de electrones de alto brillo. Los haces de electrones generados con fotocátodos se utilizan comúnmente para láseres de electrones libres y para difracción de electrones ultrarrápida. Los fotocátodos también se utilizan comúnmente como electrodo cargado negativamente en un dispositivo de detección de luz, como un fotomultiplicador, un fototubo y un intensificador de imágenes.

Propiedades importantes

Eficiencia cuántica (QE)

La eficiencia cuántica es un número sin unidades que mide la sensibilidad del fotocátodo a la luz. Es la relación entre el número de electrones emitidos y el número de fotones incidentes. Esta propiedad depende de la longitud de onda de la luz que se utiliza para iluminar el fotocátodo. Para muchas aplicaciones, la QE es la propiedad más importante, ya que los fotocátodos se utilizan únicamente para convertir fotones en una señal eléctrica.

La eficiencia cuántica se puede calcular a partir de fotocorriente ( $I$ ), potencia láser ( ${displaystyle P_{text{laser}}}$ ), y la energía foton ( $E_{text{photon}}$ ) o longitud de onda láser ( ${displaystyle lambda _{text{laser}}}$ ) usando la siguiente ecuación.

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

Energía Transversal Media (MTE) y Emitancia Térmica

Para algunas aplicaciones, la distribución del momento inicial de los electrones emitidos es importante y la energía transversal media (MTE) y la emitancia térmica son métricas populares para esto. El MTE es la media del impulso al cuadrado en una dirección a lo largo de la superficie del fotocátodo y se informa más comúnmente en unidades de milielectrones voltios.

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

En fotoinyectores de alto brillo, el MTE ayuda a determinar la emisión inicial del haz que es el área en espacio de fase ocupada por los electrones. La emisión ( $varepsilon$ ) se puede calcular a partir de MTE y el tamaño del punto láser en la fotocathode ( $sigma _{x}$ ) usando la siguiente ecuación.

${displaystyle varepsilon =sigma _{x}{sqrt {frac {text{MTE}}{m_{e}c^{2}}}}}$

Donde ${displaystyle m_{e}c^{2}}$ es la masa restante de un electrón. En unidades de uso común, esto es lo siguiente.

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

Debido al escalamiento de la emitancia transversal con MTE, a veces es útil escribir la ecuación en términos de una nueva cantidad llamada emitancia térmica. La emitancia térmica se deriva de MTE usando la siguiente ecuación.

${displaystyle varepsilon _{text{th}}={sqrt {frac {text{MTE}}{m_{e}c^{2}}}}}$

Se expresa con mayor frecuencia en la relación um/mm para expresar el crecimiento de la emitancia en unidades de um a medida que crece el punto láser (medido en unidades de mm).

Una definición equivalente de MTE es la temperatura de los electrones emitidos en vacío. El MTE de electrones emitidos a partir de fotocathodes de uso común, como metales policristalinos, está limitado por el exceso de energía (la diferencia entre la energía de los fotones del incidente y la función de trabajo de fotocathode) proporcionado a los electrones. Para limitar el MTE, los fotocathodes se operan a menudo cerca del umbral de fotoemisión, donde el exceso de energía tiende a cero. En este límite, la mayoría de la fotoemisión proviene de la cola de la distribución Fermi. Por lo tanto, el MTE se limita térmicamente a $k_BT$ , donde $k_{B}$ es la constante de Boltzmann y $T$ es la temperatura de los electrones en el sólido.

Debido a la conservación del impulso transversal y la energía en el proceso de fotoemisión, el MTE de un fotocátodo monocristalino limpio, atómicamente ordenado está determinado por la estructura de bandas del material. Una estructura de banda ideal para MTE bajos es aquella que no permite la fotoemisión desde grandes estados de impulso transversal.

Fuera de la física de los aceleradores, el MTE y la emitancia térmica desempeñan un papel en la resolución de los dispositivos de imágenes centrados en la proximidad que utilizan fotocátodos. Esto es importante para aplicaciones como intensificadores de imágenes, convertidores de longitud de onda y los ahora obsoletos tubos de imagen.

Vida útil

Muchos fotocátodos requieren excelentes condiciones de vacío para funcionar y se "envenenan" cuando se expone a contaminantes. Además, el uso de fotocátodos en aplicaciones de alta corriente dañará lentamente los compuestos a medida que se expongan al bombardeo de iones. Estos efectos se cuantifican por la vida útil del fotocátodo. La muerte del cátodo se modela como una exponencial decreciente en función del tiempo o de la carga emitida. La vida útil es entonces la constante de tiempo de la exponencial.

Usos

Durante muchos años, el fotocátodo fue el único método práctico para convertir la luz en una corriente de electrones. Como tal, tiende a funcionar como una forma de “película eléctrica”; y compartió muchas características de la fotografía. Por lo tanto, era el elemento clave en dispositivos optoelectrónicos, como tubos de cámaras de televisión como el orthicon y vidicon, y en tubos de imagen como intensificadores, convertidores y disectores. Se utilizaron fototubos simples para detectores de movimiento y contadores.

Los fototubos se han utilizado durante años en los proyectores de películas para leer las bandas sonoras en el borde de la película.

El desarrollo más reciente de dispositivos ópticos de estado sólido, como los fotodiodos, ha reducido el uso de fotocátodos a casos en los que siguen siendo superiores a los dispositivos semiconductores.

Construcción

Los fotocátodos funcionan en vacío, por lo que su diseño es paralelo a la tecnología de tubos de vacío. Desde la mayoría de los cátodos son sensibles al aire; la construcción de los fotocátodos generalmente ocurre después de que se ha evacuado el recinto. En funcionamiento, el fotocátodo requiere un campo eléctrico con un ánodo positivo cercano para asegurar la emisión de electrones. La epitaxia de haces moleculares se aplica ampliamente en la fabricación actual de fotocátodos. Al utilizar un sustrato con parámetros de red coincidentes, se pueden fabricar fotocátodos cristalinos y los haces de electrones pueden salir desde la misma posición en la zona Brillouin de la red para obtener haces de electrones de alto brillo.

Los fotocátodos se dividen en dos grandes grupos; transmisión y reflexivo. Un tipo de transmisión suele ser un revestimiento sobre una ventana de vidrio en el que la luz incide en una superficie y los electrones salen de la superficie opuesta. Un tipo reflectante generalmente se forma sobre una base de electrodo de metal opaco, donde entra la luz y los electrones salen por el mismo lado. Una variación es el tipo de doble reflexión, donde la base metálica tiene forma de espejo, lo que hace que la luz que pasa a través del fotocátodo sin provocar que la emisión rebote para un segundo intento. Esto imita la retina de muchos mamíferos.

La eficacia de un fotocátodo se expresa comúnmente como eficiencia cuántica, es decir, la relación entre los electrones emitidos y los cuantos incidentes (de luz). La eficiencia también varía según la construcción, ya que se puede mejorar con un campo eléctrico más fuerte.

Caracterización

La superficie de los fotocátodos se puede caracterizar mediante diversas técnicas sensibles a la superficie, como la microscopía de efecto túnel (STM) y la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X.

Recubrimientos

Aunque un cátodo metálico simple exhibirá propiedades fotoeléctricas, el recubrimiento especializado aumenta en gran medida el efecto. Un fotocátodo suele estar formado por metales alcalinos con funciones de trabajo muy bajas.

El recubrimiento libera electrones mucho más fácilmente que el metal subyacente, lo que le permite detectar fotones de baja energía en la radiación infrarroja. La lente transmite la radiación del objeto que se está viendo a una capa de vidrio revestido. Los fotones inciden en la superficie del metal y transfieren electrones a su parte posterior. Luego, los electrones liberados se recogen para producir la imagen final.

Materiales del fotocátodo

Ag-O-Cs, también llamado S-1. Este fue el primer compuesto fotocathode material, desarrollado en 1929. Sensibilidad de 300 nm a 1200 nm. Desde Ag-O-Cs tiene una corriente oscura más alta que materiales modernos, tubos fotomultiplelier con este material de fotocathode se utilizan hoy en día sólo en la región infrarroja con enfriamiento.
Sb-Cs (antimonía-caesio) tiene una respuesta espectral de UV a visible y se utiliza principalmente en fotocathodes de movimiento de reflexión.
Bialkali (antimonía-rubidium-caesio Sb-Rb-Cs, antimonía-potassium-caesium Sb-K-Cs). Rango de respuesta espectral similar al fotocathode Sb-Cs, pero con mayor sensibilidad y menor corriente oscura que Sb-Cs. Tienen sensibilidad bien adaptada a los materiales más comunes de los scintillator y, por lo tanto, se utilizan con frecuencia para la medición de radiación ionizante en los mostradores de scintillation.
Bialkali de alta temperatura o bialkali de bajo ruido (sodium-potassium-antimony, Na-K-Sb). Este material se utiliza a menudo en el registro de pozos de aceite ya que puede soportar temperaturas de hasta 175 °C. A temperatura ambiente, esta fotocathode opera con corriente oscura muy baja, lo que lo hace ideal para usar en aplicaciones de conteo de fotones.
Multialkali (sodium-potassium-antimony-caesium, Na-K-Sb-Cs), también llamado S-20. La fotocathode multialkali tiene una amplia respuesta espectral de la región ultravioleta a la región infrarroja. Es ampliamente utilizado para espectrofotómetros de banda ancha y aplicaciones de conteo de fotones. La larga respuesta de longitud de onda puede ser extendida a 930 nm por un procesamiento especial de activación de fotocathode. Con la respuesta ampliada, esto se denomina a veces S-25.
GaAs (gallium(II) arsenide). Este material de fotocathode cubre un rango de respuesta espectral más amplio que multialkali, desde ultravioleta hasta 930 nm. GaAs fotocathodes también se utilizan en instalaciones de aceleración donde se requieren electrones polarizados. Una de las propiedades importantes de GaAs photocathode es, puede lograr la afinidad de electrones negativo debido a la deposición de Cs en la superficie. Sin embargo GaAs es muy delicado y pierde Eficiencia Cuántica (QE) debido a un par de mecanismo de daño. Ion Back Bombardment es una de las principales causas de la desintegración de GaAs cathode QE.
InGaAs (indium gallium arsenide). Sensibilidad ampliada en el rango infrarrojo en comparación con GaAs. Además, en el rango entre 900 nm y 1000 nm, InGaAs tiene una proporción mucho mejor de señal a ruido que Ag-O-Cs. Con técnicas especiales de fabricación esta fotocathode puede funcionar hasta 1700 nm.
Cs-Te, Cs-I (caesio-telluride, cesio iodide). Estos materiales son sensibles al vacío UV y los rayos UV, pero no a la luz visible y por lo tanto se denominan ciegos solares. Cs-Te es insensible a longitudes de onda más de 320 nm, y Cs-I a aquellos mayores de 200 nm.

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