Superficie que convierte la luz en electrones mediante el efecto fotoeléctrico.
Fotocátodo de Cs-K-Sb centrado en un tapón de molibdeno (a) después del crecimiento en la cámara de preparación y (b) después de la transferencia al fotoinyector
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 eficiencia cuántica 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 ( ) utilizando la siguiente ecuación. [1] [2]
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. La MTE es la varianza del momento transversal en una dirección a lo largo de la superficie del fotocátodo y se informa más comúnmente en unidades de milielectronvoltios. [3]
En los fotoinyectores de alto brillo, la 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 de la MTE y el tamaño del punto láser en el fotocátodo ( ) utilizando la siguiente ecuación.
donde es la masa en reposo de un electrón. En unidades de uso común, es como sigue.
Debido a la escala de la emitancia transversal con MTE, a veces es 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.
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 el vacío. [6] La MTE de los electrones emitidos desde fotocátodos de uso común, como los metales policristalinos, está limitada 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 la MTE, los fotocátodos a menudo se operan 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 de Fermi. Por lo tanto, la MTE está limitada térmicamente a , donde es la constante de Boltzmann y es la temperatura de los electrones en el sólido. [7]
Debido a la conservación del momento transversal y la energía en el proceso de fotoemisión, el MTE de un fotocátodo monocristalino limpio y ordenado atómicamente está determinado por la estructura de bandas del material. Una estructura de bandas ideal para MTE bajos es aquella que no permite la fotoemisión desde estados de momento transversal grande. [8]
Fuera de la física del acelerador, la MTE y la emitancia térmica juegan un papel en la resolución de los dispositivos de imágenes enfocados por proximidad que utilizan fotocátodos. [9] Esto es importante para aplicaciones como intensificadores de imagen, convertidores de longitud de onda y los ahora obsoletos tubos de imagen.
Vida
Muchos fotocátodos requieren excelentes condiciones de vacío para funcionar y se "envenenan" cuando se exponen a contaminantes. Además, el uso de los fotocátodos en aplicaciones de alta corriente dañará lentamente los compuestos a medida que se exponen al bombardeo de iones. Estos efectos se cuantifican por la vida útil del fotocátodo. La muerte del cátodo se modela como una exponencial de decaimiento 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 con la fotografía. Por lo tanto, fue el elemento clave en los dispositivos optoelectrónicos, como los tubos de las cámaras de televisión , como el orticón y el vidicón, y en los tubos de imagen, como los intensificadores , convertidores y disectores . Los fototubos simples se usaban para detectores y contadores de movimiento.
Los fototubos se han utilizado durante años en los proyectores de películas para leer las pistas de sonido 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 todavía siguen siendo superiores a los dispositivos semiconductores.
Los fotocátodos se dividen en dos grandes grupos: de transmisión y de reflexión. Un tipo de transmisión es típicamente un recubrimiento sobre una ventana de vidrio en el que la luz incide sobre una superficie y los electrones salen por la superficie opuesta. Un tipo de reflexión se forma típicamente sobre una base de electrodo de metal opaco, donde la luz entra y los electrones salen por el mismo lado. Una variación es el tipo de reflexión doble, donde la base de metal es similar a un espejo, lo que hace que la luz que pasa a través del fotocátodo sin causar emisión rebote para un segundo intento. Esto imita la retina de muchos mamíferos.
La eficacia de un fotocátodo se expresa habitualmente como eficiencia cuántica, es decir, la relación entre los electrones emitidos y los cuantos de luz que inciden sobre él. La eficiencia también varía según la construcción, ya que se puede mejorar con un campo eléctrico más fuerte.
Aunque un cátodo metálico simple exhibirá propiedades fotoeléctricas, el recubrimiento especializado aumenta en gran medida el efecto. Un fotocátodo generalmente consta de metales alcalinos con funciones de trabajo muy bajas .
El revestimiento libera electrones con mucha más facilidad que el metal subyacente, lo que le permite detectar los fotones de baja energía de la radiación infrarroja. La lente transmite la radiación del objeto que se está observando a una capa de vidrio recubierto. Los fotones inciden en la superficie del metal y transfieren electrones a su lado posterior. Los electrones liberados se recogen para producir la imagen final.
Materiales del fotocátodo
Ag-O-Cs, también llamado S-1 . Este fue el primer material compuesto para fotocátodo, 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, los tubos fotomultiplicadores con este material para fotocátodo se utilizan actualmente solo en la región infrarroja con refrigeración.
El Sb-Cs ( antimonio - cesio ) tiene una respuesta espectral que va desde el UV al visible y se utiliza principalmente en fotocátodos en modo de reflexión.
Bialcalino de alta temperatura o bialcalino de bajo ruido ( sodio , potasio y antimonio , Na-K-Sb). Este material se utiliza a menudo en el registro de pozos petrolíferos, 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 .
Multialcalino ( 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 del infrarrojo cercano. Se utiliza ampliamente para espectrofotómetros de banda ancha y aplicaciones de conteo de fotones . La respuesta de longitud de onda larga se puede extender a 930 nm mediante un procesamiento especial de activación del fotocátodo. Con la respuesta ampliada, a veces se lo denomina S-25 .
GaAs ( arseniuro de galio (II) ). Este material de fotocátodo cubre un rango de respuesta espectral más amplio que el multialcalino, 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 afinidad electrónica negativa debido a la deposición de Cs en la superficie. [14] Sin embargo, 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 desintegración de QE del cátodo de GaAs. [15]
InGaAs ( arseniuro de indio y galio ). Mayor sensibilidad en el rango infrarrojo en comparación con el GaAs. Además, en el rango entre 900 nm y 1000 nm, el InGaAs tiene una relación señal-ruido mucho mejor que el Ag-O-Cs. Con técnicas de fabricación especiales, este fotocátodo puede funcionar hasta 1700 nm.
Cs-Te, Cs-I ( telururo de cesio , yoduro de cesio ). Estos materiales son sensibles a los rayos UV del vacío y a los rayos UV, pero no a la luz visible, por lo que se los denomina "ciegos a la luz solar". 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
Fundamentos y aplicaciones de los tubos fotomultiplicadores de Hamamatsu Photonics
Manual técnico de la RCA sobre aspectos básicos y aplicaciones del PT-60 y una lista de designaciones de respuesta espectral EIA "S" en las páginas 21 y 88
![{\displaystyle {\text{QE}}={\frac {N_{\text{electrón}}}{N_{\text{fotón}}}}={\frac {I\cdot E_{\text{fotón}}}{P_{\text{láser}}\cdot e}}\approx {\frac {{\overset {[{\text{amperios}}]}{I}}\cdot 1240}{{\underset {[{\text{vatios}}]}{P_{\text{láser}}}}\cdot {\underset {[{\text{nm}}]}{\lambda _{\text{láser}}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c3d69f1440d746dae17496224ef652c94653819c)
![{\displaystyle {\overset {[\mu {\text{m}}]}{\varepsilon }}\approx {\overset {[\mu {\text{m}}]}{\sigma _{x}}}{\sqrt {\frac {\overset {[{\text{meV}}]}{\text{MTE}}}{511\times 10^{6}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8ed76c9eb8e2377fd7356d02eb663f57988c4e4a)
