Fotocátodo - Photocathode
Um fotocátodo é uma superfície projetada para converter luz ( fótons ) em elétrons usando o efeito fotoelétrico . Os fotocátodos são importantes na física do acelerador, onde são usados dentro de um fotoinjetor para gerar feixes de elétrons de alto brilho . Os feixes de elétrons gerados com fotocátodos são comumente usados para lasers de elétrons livres e para difração de elétrons ultrarrápida . Os fotocátodos também são comumente usados como eletrodos carregados negativamente em um dispositivo de detecção de luz, como um fotomultiplicador ou fototubo .
Propriedades Importantes
Eficiência quântica (QE)
A eficiência quântica é um número sem unidade que mede a sensibilidade do fotocátodo à luz. É a razão entre o número de elétrons emitidos e o número de fótons incidentes. Esta propriedade depende do comprimento de onda da luz que está sendo usada para iluminar o fotocátodo. Para muitas aplicações, o QE é a propriedade mais importante, pois os fotocátodos são usados exclusivamente para converter fótons em um sinal elétrico.
A eficiência quântica pode ser calculada a partir da fotocorrente ( ), da potência do laser ( ) e da energia do fóton ( ) ou do comprimento de onda do laser ( ) usando a seguinte equação.
Energia transversal média (MTE) e emissão térmica
Para algumas aplicações, a distribuição do momento inicial dos elétrons emitidos é importante e a energia transversal média (MTE) e a emitância térmica são métricas populares para isso. O MTE é a média do momento quadrado em uma direção ao longo da superfície do fotocátodo e é mais comumente relatado em unidades de volts mili-elétron.
Em fotoinjetores de alto brilho, o MTE ajuda a determinar a emitância inicial do feixe, que é a área no espaço de fase ocupada pelos elétrons. A emitância ( ) pode ser calculada a partir do MTE e do tamanho do ponto do laser no fotocátodo ( ) usando a seguinte equação.
onde está a massa de repouso de um elétron. Nas unidades comumente usadas, é o seguinte.
Por causa da escala da emitância transversal com MTE, às vezes é útil escrever a equação em termos de uma nova quantidade chamada de emitância térmica. A emitância térmica é derivada do MTE usando a seguinte equação.
É mais frequentemente expresso na razão um / mm para expressar o crescimento da emitância em unidades de um conforme o ponto de laser cresce (medido em unidades de mm).
Fora da física do acelerador, MTE e emitância térmica desempenham um papel na resolução de dispositivos de imagem com foco de proximidade que usam fotocátodos. Isso é importante para aplicações como intensificadores de imagem, conversores de comprimento de onda e os tubos de imagem agora obsoletos.
Tempo de vida
Muitos fotocátodos requerem excelentes condições de vácuo para funcionar e ficarão "envenenados" quando expostos a contaminantes. Além disso, o uso de fotocátodos em aplicações de alta corrente danificará lentamente os compostos à medida que são expostos ao contra-bombardeio de íons. Esses efeitos são quantificados pelo tempo de vida do fotocátodo. A morte do cátodo é modelada como uma exponencial decadente em função do tempo ou da carga emitida. O tempo de vida é então a constante de tempo do exponencial.
Usos
Por muitos anos, o fotocátodo foi o único método prático para converter luz em corrente de elétrons. Como tal, tende a funcionar como uma forma de 'filme elétrico' e compartilha muitas características da fotografia. Era, portanto, o elemento-chave em dispositivos optoeletrônicos, como tubos de câmera de TV, como o ortocon e vidicon, e em tubos de imagem, como intensificadores , conversores e dissetores . Fototubos simples foram usados para detectores de movimento e contadores.
Fototubos têm sido usados há anos em projetores de cinema para ler as trilhas sonoras no limite do filme.
O desenvolvimento mais recente de dispositivos ópticos de estado sólido, como fotodiodos , reduziu o uso de fotocátodos para casos em que eles ainda permanecem superiores aos dispositivos semicondutores.
Construção
Os fotocátodos operam no vácuo, portanto, seu design é paralelo à tecnologia de tubo de vácuo . Uma vez que a maioria dos cátodos são sensíveis ao ar, a construção dos fotocátodos normalmente ocorre depois que o invólucro foi evacuado. Em operação, o fotocátodo requer um campo elétrico com um ânodo positivo próximo para garantir a emissão de elétrons.
Os fotocátodos se dividem em dois grandes grupos; transmissão e reflexiva. Um tipo de transmissão é tipicamente um revestimento sobre uma janela de vidro em que a luz atinge uma superfície e os elétrons saem da superfície oposta. Um tipo reflexivo é normalmente formado em uma base de eletrodo de metal opaco, onde a luz entra e os elétrons saem do mesmo lado. Uma variação é o tipo de reflexão dupla, onde a base de metal é espelhada, fazendo com que a luz que passasse pelo fotocátodo sem fazer com que a emissão fosse rebatida para uma segunda tentativa. Isso imita a retina em muitos mamíferos.
A eficácia de um fotocátodo é comumente expressa como eficiência quântica, que é a razão entre elétrons emitidos e quanta (de luz) de impacto. A eficiência varia com a construção também, pois pode ser melhorada com um campo elétrico mais forte.
Revestimentos
Embora um cátodo metálico simples exiba propriedades fotoelétricas, o revestimento especializado aumenta muito o efeito. Um fotocátodo geralmente consiste em metais alcalinos com funções de trabalho muito baixas .
O revestimento libera elétrons muito mais prontamente do que o metal subjacente, permitindo detectar os fótons de baixa energia na radiação infravermelha. A lente transmite a radiação do objeto que está sendo visto para uma camada de vidro revestido. Os fótons atingem a superfície do metal e transferem elétrons para o lado posterior. Os elétrons liberados são então coletados para produzir a imagem final.
Materiais fotocátodo
- Ag-O-Cs, também denominado S-1 . Este foi o primeiro material fotocátodo composto, desenvolvido em 1929. Sensibilidade de 300 nm a 1200 nm. Como o Ag-O-Cs tem uma corrente escura maior do que os materiais mais modernos, os tubos fotomultiplicadores com esse material fotocátodo são usados atualmente apenas na região do infravermelho com resfriamento.
- Sb-Cs ( antimônio - césio ) tem uma resposta espectral de UV para visível e é usado principalmente em fotocátodos de modo de reflexão.
- Bialkali ( antimônio - rubídio - césio Sb-Rb-Cs, antimônio - potássio - césio Sb-K-Cs). Faixa de resposta espectral semelhante ao fotocátodo Sb-Cs, mas com maior sensibilidade e corrente escura mais baixa do que Sb-Cs. Eles têm uma sensibilidade bem combinada com os materiais cintiladores mais comuns e, portanto, são freqüentemente usados para medição de radiação ionizante em contadores de cintilação .
- Bialkali de alta temperatura ou bialkali de baixo ruído ( sódio - potássio - antimônio , Na-K-Sb). Este material é frequentemente usado em perfilagem de poços de petróleo, uma vez que pode suportar temperaturas de até 175 ° C. Em temperatura ambiente, este fotocátodo opera com corrente escura muito baixa, tornando-o ideal para uso em aplicações de contagem de fótons .
- Multialkali ( sódio - potássio - antimônio - césio , Na-K-Sb-Cs), também chamado de S-20 . O fotocátodo multialcalino tem uma ampla resposta espectral desde o ultravioleta até a região do infravermelho próximo. É amplamente utilizado para espectrofotômetros de banda larga e aplicações de contagem de fótons . A resposta de comprimento de onda longo pode ser estendida a 930 nm por um processamento especial de ativação de fotocátodo. Com a resposta ampliada, às vezes é chamado de S-25 .
- GaAs ( arsenieto de gálio (II) ). Este material fotocátodo cobre uma faixa de resposta espectral mais ampla do que multialcalis, de ultravioleta a 930 nm. Os fotocátodos de GaAs também são usados em instalações de aceleradores onde são necessários elétrons polarizados. Uma das propriedades importantes do fotocátodo de GaAs é que ele pode atingir Afinidade Eletrônica Negativa devido à deposição de Cs na superfície. No entanto GaAs é muito delicado e perde a eficiência quântica (QE) devido a alguns mecanismos de dano. O bombardeio de íons de volta é a principal causa do decaimento QE do cátodo de GaAs.
- InGaAs ( arsenieto de índio e gálio ). Sensibilidade estendida na faixa de infravermelho em comparação com GaAs. Além disso, na faixa entre 900 nm e 1000 nm, InGaAs tem uma relação sinal / ruído muito melhor do que Ag-O-Cs. Com técnicas especiais de fabricação, este fotocátodo pode operar em até 1700 nm.
- Cs-Te, Cs-I ( césio - telureto , iodeto de césio ). Esses materiais são sensíveis aos raios ultravioleta e ultravioleta do vácuo, mas não à luz visível e, portanto, são chamados de cortina solar. Cs-Te é insensível a comprimentos de onda maiores que 320 nm e Cs-I àqueles maiores que 200 nm.
Referências
links externos
- Noções básicas e aplicações de tubos fotomultiplicadores da Hamamatsu Photonics