光电阴极 Photocathodes

2022-11-01 10:08:11 浏览:319

定义

基于光电效应可以释放电子的电极。

光电阴极是由光发射材料制成的电极,电子可以通过外部光电效应释放到自由空间中。 使用另一个电极,称为阳极,它保持在更大的正电势下,可以将光电子从光电阴极拉开并获得光电流,该光电流与宽动态范围内的入射光功率成正比。

这种效应基本上是光管中使用的。 光电阴极还用于其他类型的光电探测器设备,即光电倍增管,以及红外观察器,条纹相机,图像增强器(图像放大器)和图像转换器。 此外,用超短激光脉冲照射的脉冲光电阴极也用于一些粒子加速器。

光电阴极通常必须在高真空下运行——通常在真空玻璃管内。 然后,光谱灵敏度可以受到所用光学窗口材料的透明度的限制。 例如,紫外线探测器可以配备氟化镁光学窗口,该窗口对于波长高于115nm的光是透明的。 例如,其他人使用波长截止波长约为 185 nm 的紫外玻璃,或者使用硼硅酸盐玻璃从 0.3 μm 开始透射。

反射模式和透射模式光电阴极

“反射式”光电阴极实际上不应该反射太多光!

厚光电阴极,例如由不透明的金属板组成,只能在发光侧发射电子。 它们被称为反射或反射模式阴极,尽管它们当然使用吸收光而不是反射光。 它们的反射率在感兴趣的波长区域不应很高。

各种器件都包含非常薄的光电阴极,可以在另一侧提取光电子。 这种透射模式光电阴极需要用于图像增强器,例如,电极强烈限制其侧面的光的访问,以及迎面光电倍增管。 由于电子不能在不与材料发生强烈相互作用的情况下在材料中传播很长的距离,因此透射型光电阴极要求光可以通过它们传播 - 同时必须有大量吸收,因为未吸收的光当然不会产生任何光电子。 因此,透射型光电阴极需要非常薄,例如制成沉积在玻璃管内侧的薄膜。 它们的量子效率通常略低于反射光阴极。

使用薄膜时,长波长边缘的灵敏度可以大大降低,在该光谱区域中仅表现出有限的吸收量。

功函数、光谱范围和量子效率

功函数决定长波长截止。

通常,只有当光子能量超过材料的功函数时,电子发射才有可能,这是将电子释放到自由空间所需的能量。 因此,材料的功函数决定了可能发生外部光电效应的最大可能光波长。 只有在非常高的光学强度下,非线性过程才有可能,其中多个光子结合其能量以激发单个电子。

许多光发射材料具有工作功能,允许使用可见光和紫外线进行操作,但不能使用红外光。 其他具有较大的功函数,仅适用于紫外线中的短波长,例如低于200 nm。具有低带隙能量的半导体材料用于红外检测。

光电效应通常适用于更高的光子能量,远高于功函数。 光谱范围的短波长边缘通常不受光电阴极的限制,而是受光学窗口的透射限制。 有时,通过使用某种滤光片故意缩小光谱范围。 例如,红外探测器通常对可见光和紫外线不敏感。

不完全吸收是量子效率的主要限制因素。

并非每个入射光子都能产生光电子,因为一些光子可能会被反射或(对于薄阴极)透射或散射而不是被吸收,甚至不是每个吸收的光子都可以提供光电子。 每个入射光子的平均光电子数,或者一个光子产生光电子的概率,称为光电阴极的量子效率。 通常,当光波长接近由功函数定义的最大可能波长时,它会急剧下降。 一些光电阴极材料(见下文)在某些光谱区域达到30%以上的量子效率,而其他材料(特别是那些用于红外线的材料)则限制在10%的数量级甚至更低。

光电阴极的量子效率还取决于外加的电场,特别是在小场强范围内。

电阻

制成半导体薄膜的光电阴极可以具有很大的电阻。 这限制了它们提供高光电流的能力,即在高输入光水平下工作。 然后相应减小可用动态范围。

请注意,根据低噪声检测的要求,在低温操作下,电阻可以大幅增加。

来自热离子发射的暗电流

光电阴极可以表现出一定量的暗电流,这是由热离子发射引起的:电子可以从正式过程中接收足够的能量,因此它们可以离开材料而没有任何入射光。 这种有害的过程与光子计数等应用特别相关,在这些应用中,假暗计数率是一个严重限制性能参数的应用。

热离子发射在室温下通常非常弱,除非对于具有小功函数的材料,如红外检测所需。 在这种情况下,可能需要冷却光电阴极以减少暗电流。

请注意,温度也会在一定程度上影响光电流。 光电阴极通常具有负温度系数(即,在较高温度下电流减小),但接近长波长截止的波长除外,其中热辅助过程支持激发。

脉冲操作

例如,一些用于自由电子激光器的粒子加速器包含一个脉冲光电阴极作为电子枪,即用于产生具有极高亮度的脉冲电子束。 通过将紫外激光束紧密聚焦在光电阴极上,发射在空间上受到限制,并且由于超短脉冲持续时间(通常在皮秒区域),实现了非常严格的时间限制。

虽然在这种情况下量子效率并不是最重要的,但需要具有高导电性的光发射材料,因为峰值电流可能相当高(例如数十安培)。 光电子在强射频场中迅速加速,激光脉冲与该场同步。

使用寿命

光电阴极可以具有很长的使用寿命(数万小时),但在各种情况下都可能发生加速老化:

  • 一些光电阴极即使在室温下储存也会表现出一些老化;因此,它们应尽可能保持凉爽。 在任何情况下,在升高的温度下储存或操作都会缩短使用寿命。
  • 一些光电阴极不应暴露在任何强光下,例如日光,因为它们会降解甚至完全损坏。
  • 在高电压操作的器件中,例如在光电倍增管中,问题可能是由正离子轰击光电阴极引起的(带负电荷的电极吸引);这会产生晶体缺陷,可以在不产生光电子的情况下吸收光。

光电正极材料

已经开发了许多不同的光电阴极材料,材料的选择主要取决于所需的性能参数,除了反射或透射模式的适用性外,主要取决于光谱响应(主要由功函数决定)和量子效率。 一些重要的光电阴极材料是:

  • 铌-铯(铯-锑, Cs3Sb )广泛应用于可见光和紫外区域,多用于反射光阴极。 它可以通过将锑膜蒸发到玻璃板上,然后将铯蒸发到玻璃板上来相对简单地制造。
  • 像Sb-Rb-Cs / Sb-K-Cs这样的双碱材料在类似于Sb-Cs的宽光谱范围内提供灵敏度,并结合较低的暗电流,即较低的噪声等效功率,从而提高灵敏度。 还有一些材料含有三种或三种以上的碱性金属,它们实现了从近红外到紫外线的更宽的光谱响应,但更难生产。
  • 一些高温碱材料(如Sb-Na-K)经过优化,可在较高温度下运行,而不会产生过多的暗电流;对于高温环境中的某些应用程序,这是必需的。
  • Ag-O-Cs 是一种宽带材料,灵敏度大约在 300 nm 到 1.2 μm 之间。 由于其相对较小的功函数,它比其他一些材料更深入地延伸到红外线,但表现出更高的暗电流。 量子效率低,在强光照条件下会进一步下降。
  • 像GaAs和InGaAs这样的半导体可以用铯激活,以获得从近红外到紫外线的宽光谱响应。 较高的铟(In)含量将响应进一步扩展到红外线。
  • 对于特别扩展的红外响应,例如高达1.6μm,存在场辅助光电阴极,其中包含p-n结,例如InP(表面)与InGaAsP或InGaAs之间的p-n结。 通过在p–n结上施加偏置电压,可以显著增强光发射。 这种光电阴极通常需要在低温下工作,以限制暗电流。
  • Cs-I和Cs-Te是太阳盲材料,分别对低于200nm(Cs-I)和300nm(Cs-Te)的波长敏感。

根据电子工业协会建立的系统,光电阴极与某种窗口材料组合的光谱响应通常用“S名称”指定。 例如,S1光电阴极由Ag-O-Cs与硼硅酸盐或石灰玻璃窗组合制成。 (可以使用不同的玻璃,只要吸收年龄在300nm左右。) 不同的是,当使用不同的玻璃时,相同的光电阴极材料可能会出现不同的名称。

原则上,也可以使用简单的金属;许多早期的实验都与他们一起工作。 然而,它们表现出相当低的量子效率。

光检测和表征

作          者: 泮桥成像光电商城

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