Fotocátodo

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. ^[1] 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 la fotocorriente ( ), la potencia del láser ( ) y la energía del fotón ( ) o la longitud de onda del láser ( ) usando la siguiente ecuación. ^[1]^[2] $I$ $P_{\text{láser}}$ $E_{\text{fotón}}$ $\lambda _ {\text{láser}}$

${\text{QE}}={\frac {N_{\text{electrón}}}{N_{\text{fotón}}}}={\frac {I\cdot E_{\text{fotón} }}{P_{\text{láser}}\cdot e}}\approx {\frac {I[{\text{A}}]\cdot 1240}{P_{\text{láser}}[{\text{ W}}]\lambda _{\text{láser}}[{\text{nm}}]}}$

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. ^[3]

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

En fotoinyectores de alto brillo, el MTE ayuda a determinar la emitancia inicial del haz, que es el área en el espacio de fase ocupada por los electrones. ^[4] La emitancia ( ) se puede calcular a partir del MTE y el tamaño del punto láser en el fotocátodo ( ) usando la siguiente ecuación. $\varepsilon$ $\sigma _{x}$

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

¿Dónde está la masa en reposo de un electrón? En unidades de uso común, esto es el siguiente. $m_{e}c^{2}$

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

Debido al escalamiento de la emitancia transversal con MTE, a veces resulta útil escribir la ecuación en términos de una nueva cantidad llamada emitancia térmica. ^[5] La emitancia térmica se deriva de MTE utilizando la siguiente ecuación.

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

Generalmente se expresa 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 el vacío. ^[6] El MTE de los electrones emitidos por fotocátodos de uso común, como los metales policristalinos, está limitado por el exceso de energía (la diferencia entre la energía de los fotones incidentes y la función de trabajo del fotocátodo) proporcionada a los electrones. Para limitar el MTE, los fotocátodos suelen funcionar cerca del umbral de fotoemisión, donde el exceso de energía tiende a cero. En este límite, la mayor parte de la fotoemisión proviene de la cola de la distribución de Fermi. Por lo tanto, MTE está térmicamente limitado a , donde es la constante de Boltzmann y es la temperatura de los electrones en el sólido. ^[7] $k_{B}T$ ${\ Displaystyle k_ {B}}$ $T$

Debido a la conservación del momento 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. ^[8]

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. ^[9] Esto es importante para aplicaciones como intensificadores de imágenes, convertidores de longitud de onda y los ahora obsoletos tubos de imagen.

Toda la vida

Muchos fotocátodos requieren excelentes condiciones de vacío para funcionar y se "envenenan" cuando se exponen 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. ^[10]^[11]

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 comparte 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 proyectores de películas para leer las bandas sonoras en el borde de la película. ^[12]

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 . Dado que la mayoría de los cátodos son sensibles al aire, la construcción de los fotocátodos normalmente se produce 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 de 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 de fotocátodo

Ag-O-C, también llamados S-1 . Este fue el primer material de fotocátodo compuesto, desarrollado en 1929. Sensibilidad de 300 nm a 1200 nm. Dado que Ag-O-Cs tiene una corriente oscura más alta que los materiales más modernos, hoy en día los tubos fotomultiplicadores con este material de fotocátodo se utilizan sólo en la región infrarroja con refrigeración.
El Sb-Cs ( antimonio - cesio ) tiene una respuesta espectral de UV a visible y se utiliza principalmente en fotocátodos en modo de reflexión.
Biálcali ( antimonio - rubidio - cesio Sb-Rb-Cs, antimonio - potasio - cesio Sb-K-Cs). Rango de respuesta espectral similar al fotocátodo Sb-Cs, pero con mayor sensibilidad y menor corriente oscura que el Sb-Cs. Tienen una sensibilidad que se adapta bien a los materiales centelleadores más comunes y, por lo tanto, se utilizan con frecuencia para medir la radiación ionizante en contadores de centelleo .
Bialcalis de alta temperatura o biálcalis de bajo ruido ( sodio - potasio - antimonio , Na-K-Sb). Este material se utiliza a menudo en el registro de pozos petroleros, ya que puede soportar temperaturas de hasta 175 °C. A temperatura ambiente, este fotocátodo funciona con una corriente oscura muy baja, lo que lo hace ideal para su uso en aplicaciones de conteo de fotones .
Multiálcali ( sodio - potasio - antimonio - cesio , Na-K-Sb-Cs), también llamado S-20 . El fotocátodo multialcalino tiene una amplia respuesta espectral desde la región ultravioleta hasta la región infrarroja cercana. Se utiliza ampliamente en espectrofotómetros de banda ancha y aplicaciones de recuento de fotones . La respuesta de longitud de onda larga se puede ampliar hasta 930 nm mediante un procesamiento especial de activación del fotocátodo. Con la respuesta ampliada, esto a veces se denomina S-25 .
GaAs ( arseniuro de galio (II) ). Este material de fotocátodo cubre un rango de respuesta espectral más amplio que el multiálcali, desde ultravioleta hasta 930 nm. Los fotocátodos de GaAs también se utilizan en instalaciones de aceleradores donde se requieren electrones polarizados. ^[13] Una de las propiedades importantes del fotocátodo de GaAs es que puede lograr una afinidad electrónica negativa debido a la deposición de Cs en la superficie. ^[14] Sin embargo, el GaAs es muy delicado y pierde eficiencia cuántica (QE) debido a un par de mecanismos de daño. El bombardeo de iones es una de las principales causas de la descomposición del QE del cátodo de GaAs. ^[15]
InGaAs ( arseniuro de indio y galio ). Sensibilidad ampliada en el rango infrarrojo en comparación con GaAs. Además, en el rango entre 900 nm y 1000 nm, el InGaAs tiene una relación señal-ruido mucho mejor que el Ag-O-C. Con técnicas de fabricación especiales, este fotocátodo puede funcionar hasta 1700 nm.
Cs-Te, Cs-I ( cesio - telururo , yoduro de cesio ). Estos materiales son sensibles a los rayos ultravioleta del vacío y a los rayos ultravioleta, pero no a la luz visible, por lo que se denominan ciegos solares. El Cs-Te es insensible a longitudes de onda superiores a 320 nm y el Cs-I a longitudes de onda superiores a 200 nm.

Referencias

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enlaces externos

Conceptos básicos y aplicaciones de los tubos fotomultiplicadores de Hamamatsu Photonics