광음극

광음극은 광전 효과를 이용하여 빛(광자)을 전자로 변환하도록 조작된 표면입니다.광음극은 높은 밝기의 전자 빔을 생성하기 위해 광 주입기에 사용되는 가속기 물리학에서 중요합니다.광캐소드로 생성된 전자 빔은 자유 전자 레이저 및 초고속 전자 회절에 일반적으로 사용됩니다.광음극은 또한 광전자 증배관, 광전자 증배관 및 이미지 인텐서와 같은 광 검출 장치에서 음전하를 띤 전극으로 일반적으로 광전자 증배관 및 이미지 인텐서와 같은 광 검출 장치에서 사용됩니다.

중요 속성

양자효율(QE)

양자효율은 광음극의 빛에 대한 민감도를 측정하는 단위가 없는 수치입니다.이것은 입사 광자의 수에 대해 방출되는 전자의 수의 비율입니다.^[1]이 특성은 광음극을 비추는 데 사용되는 광의 파장에 따라 달라집니다.광음극이 광자를 전기 신호로 변환하는 데만 사용되기 때문에 많은 응용 분야에서 QE는 가장 중요한 특성입니다.

양자효율은 광전류( $I$ ${\displaystyle$ I $}),$ 레이저 파워( $P_{\text{laser}}$ $P_{\text{laser}}$ ${\displaystyle P_$ ${\$ $text{laser}}),$ 광자 에너지( $E_{\text{photon}}$ {\ $displaystyle E_{\text{photon$ 또는 레이저 $($ λ $laser$ {\ $displaystyle \lambda$ _{\text $laser}})$ 에서 다음 식을 이용하여 계산할 수 있습니다.

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

평균횡단에너지(MTE)와 열방출도

일부 응용의 경우 방출된 전자의 초기 운동량 분포가 중요하며 평균 횡방향 에너지(MTE)와 열 방출량이 이에 대한 일반적인 측정 지표입니다.MTE는 광음극 표면을 따라가는 방향에서 운동량 제곱의 평균이며 가장 일반적으로 밀리 전자 볼트 단위로 보고됩니다.^[3]

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

고휘도 광분사기에서 MTE는 전자가 차지하는 위상 공간의 영역인 빔의 초기 방출량을 결정하는 데 도움이 됩니다.^[4]방출량( ε ${\displaystyle \varepsilon$ 은 MTE와 포토캐소드의 레이저 스폿 크기( σ x ${\displaystyle \sigma$ _ ${x$ 로부터 다음 식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

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

여기서 $m_{e}c^{2}$ $m_{e}c^{2}$ ${\$ 는 $m_{e}c^{2}$ 전자의 나머지 질량입니다.일반적으로 사용되는 단위는 다음과 같습니다.

$\varepsilon [{\text{um}}]\approx \sigma _x}[{\text{um}}]{\sqrt {\frac {{\text{MTE }}}[{\text{meV}}}{511\times 10^{6}}}$

MTE를 사용한 횡방향 방출량의 스케일링 때문에, 열 방출량이라고 하는 새로운 양의 관점에서 식을 작성하는 것이 때때로 유용합니다.^[5]열 방출량은 다음 식을 이용하여 MTE로부터 유도됩니다.

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

레이저 스폿이 커짐에 따라 um 단위로 방출량이 증가함을 나타내는 비율 um/mm로 표시되는 경우가 가장 많습니다(mm 단위로 측정됨).

MTE의 동등한 정의는 진공에서 방출되는 전자의 온도입니다.^[6]다결정 금속과 같이 일반적으로 사용되는 광음극에서 방출되는 전자의 MTE는 전자에 제공되는 과잉 에너지(입사 광자의 에너지와 광음극의 일함수 사이의 차이)에 의해 제한됩니다.MTE를 제한하기 위해, 포토캐소드는 종종 초과 에너지가 0인 경향이 있는 광 방출 임계치 근처에서 작동됩니다.이 한계에서, 대부분의 광 방출은 페르미 분포의 꼬리에서 비롯됩니다.따라서 MTE는 $k_{B}T$ $k_{B$ 로 열적으로 제한됩니다. $T$ 여기서 $k_{B}$ ${\$ 는 $k_{B}$ 볼츠만 상수이고 $T$ $T$ 는 $t$ 고체 내 전자의 온도입니다.^[7]

광 방출 과정에서 가로 운동량과 에너지가 보존되기 때문에, 깨끗하고 원자적으로 정렬된 단결정 광음극의 MTE는 물질의 밴드 구조에 의해 결정됩니다.낮은 MTE에 이상적인 대역 구조는 큰 가로 운동량 상태에서 광 방출을 허용하지 않는 구조입니다.

가속기 물리학 외부에서 MTE와 열 방출은 광음극을 사용하는 근접 초점 영상 장치의 해상도에 역할을 합니다.^[9]이는 이미지 인텐셔너, 파장 변환기 및 현재는 사용되지 않는 이미지 튜브와 같은 응용 프로그램에서 중요합니다.

라이프타임

많은 포토캐소드가 작동하려면 우수한 진공 조건이 필요하고 오염물에 노출되면 "독"이 됩니다.또한 광전류 응용 분야에서 광음극을 사용하면 이온 역폭격에 노출될 때 화합물이 서서히 손상됩니다.이러한 효과는 포토캐소드의 수명에 따라 정량화됩니다.음극 사망은 시간 또는 방출된 전하의 함수로서 붕괴 지수로 모델링됩니다.수명은 지수의 시간 상수입니다.^[10]^[11]

사용하다

수년간 광음극은 빛을 전자 전류로 바꾸는 유일한 실용적인 방법이었습니다.이처럼 '전기 필름'의 한 형태로 기능하는 경향이 있으며, 사진의 많은 특성을 공유하고 있습니다.따라서, 이는 오스티콘이나 비디콘과 같은 TV 카메라 튜브와 같은 광전자 장치 및 인텐셔너, 변환기, 디스텍터와 같은 이미지 튜브에서 핵심적인 요소였습니다.단순한 포토튜브는 움직임 감지기와 카운터에 사용되었습니다.

사진관은 영화 영사기에서 영화 필름 가장자리의 사운드 트랙을 읽기 위해 수년간 사용되어 왔습니다.^[12]

포토다이오드와 같은 고체 광학 소자의 최근 개발은 포토다이오드의 사용을 반도체 소자보다 여전히 우수한 상태로 유지하는 경우로 줄였습니다.

시공

포토캐소드는 진공에서 작동하기 때문에 설계는 진공관 기술과 유사합니다.대부분의 음극은 공기에 민감하기 때문에 일반적으로 인클로저가 대피한 후에 포토 음극을 구성합니다.작동 시 포토캐소드는 전자 방출을 보장하기 위해 근처에 양극이 있는 전기장이 필요합니다.분자 빔 에피택시(Molecular beam epitaxy)는 오늘날 광음극 제조에 광범위하게 적용됩니다.격자 매개변수가 일치하는 기판을 이용하여 결정성 광음극을 만들고 격자의 Brillouin 영역에서 같은 위치에서 전자빔이 나와 높은 밝기의 전자빔을 얻을 수 있습니다.

광음극은 투과성과 반사성의 두 가지 큰 그룹으로 나뉩니다.투과형은 일반적으로 빛이 한쪽 표면에 닿아 전자가 반대쪽 표면에서 빠져나가는 유리창에 코팅하는 것입니다.반사형은 일반적으로 불투명 금속 전극 베이스 상에 형성되며, 여기서 광은 입사하고 전자는 동일한 면에서 퇴장합니다.변형은 이중 반사 타입입니다. 금속 베이스가 거울과 같아서 방출을 일으키지 않고 포토캐소드를 통과한 빛이 두 번째 시도에서 튕겨져 나오게 합니다.이것은 많은 포유류의 망막을 모방합니다.

광음극의 효과는 일반적으로 방출된 전자 대 충돌 양자의 비율인 양자 효율로 표현됩니다.보다 강력한 전기장으로 개선할 수 있기 때문에 시공에 따라서도 효율이 다릅니다.

특징화

광캐소드의 표면은 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscopy, STM) 및 X선 광전자 분광법과 같은 다양한 표면 민감 기술에 의해 특징지어질 수 있습니다.

코팅

일반 금속 음극은 광전 특성을 나타내지만 특수 코팅은 효과를 크게 높입니다.광음극은 보통 일함수가 매우 낮은 알칼리 금속으로 구성됩니다.

코팅은 기본 금속보다 훨씬 쉽게 전자를 방출하여 적외선 복사에서 낮은 에너지 광자를 감지할 수 있습니다.렌즈는 물체를 바라보는 방사선을 코팅된 유리 층으로 전달합니다.광자는 금속 표면을 타격하고 전자를 뒤쪽으로 전달합니다.자유 전자들은 최종 이미지를 만들기 위해 모이게 됩니다.

광음극 소재

Ag-O-C, S-1이라고도 합니다.이것은 1929년에 개발된 최초의 복합 광음극 물질이었습니다.300 nm ~ 1200 nm의 감도.Ag-O-C는 더 현대적인 물질보다 더 높은 암전류를 가지고 있기 때문에, 이 광음극 물질을 포함하는 광전자 증배관은 현재 냉각이 있는 적외선 영역에서만 사용됩니다.
Sb-C(Antimony-caesium )는 UV에서 가시로 스펙트럼 반응을 가지며 주로 반사 모드 광음극에 사용됩니다.
바이알칼리(안티몬-루비듐-카세슘 Sb-Rb-Cs, 안티몬-칼륨-카세슘 Sb-K-Cs)스펙트럼 응답 범위는 Sb-C 광음극과 유사하지만 Sb-C보다 민감도가 높고 어두운 전류가 낮습니다.이들은 가장 일반적인 신틸레이터 재료와 잘 일치하는 감도를 가지고 있으므로 신틸레이터 카운터에서 전리방사선 측정에 자주 사용됩니다.
고온 바이알칼리 또는 저소음 바이알칼리(나트륨-칼륨-항티몬 , Na-K-Sb).이 물질은 최대 175°C의 온도를 견딜 수 있기 때문에 유정 벌목에 자주 사용됩니다.이 포토캐소드는 실온에서 매우 낮은 암전류로 작동하므로 광자 계수 응용에 사용하기에 이상적입니다.
S-20이라고도 불리는 멀티알칼리(나트륨-칼륨-안티몬-케이지움 , Na-K-Sb-Cs).멀티알칼리 광음극은 자외선에서 근적외선 영역까지 넓은 스펙트럼 반응을 갖습니다.광대역 분광 광도계 및 광자 계수 응용에 널리 사용됩니다.특수 광음극 활성화 처리를 통해 장파장 응답을 930nm까지 확장할 수 있습니다.반응의 폭이 넓어짐에 따라, 이것은 때때로 S-25라고 불립니다.
GaAs(갈륨()II) 비소).이 광음극 물질은 자외선에서 930 nm에 이르는 멀티알칼리보다 더 넓은 스펙트럼 반응 범위를 다룹니다.GaAs 광캐소드는 편광 전자가 필요한 가속기 설비에서도 사용됩니다.^[13]GaAs 광음극의 중요한 특성 중 하나는 표면에 Cs 증착으로 인한 음의 전자 친화도를 얻을 수 있다는 것입니다.^[14]그러나 GaAs는 매우 섬세하고 몇 가지 손상 메커니즘으로 인해 양자 효율성(QE)을 잃습니다.이온 후방 충격은 GaAs 음극 QE 붕괴의 주요 원인 중 하나입니다.^[15]
InGaAs(인듐 갈륨 비소).GaAs에 비해 적외선 영역에서 확장된 감도.게다가, 900 nm와 1000 nm 사이의 범위에서, InGaAs는 Ag-O-C보다 훨씬 더 나은 신호 대 잡음비를 갖습니다.특수 제조 기술을 사용하여 이 포토 캐소드는 최대 1700 nm까지 작동할 수 있습니다.
Cs-Te, Cs-I (caesium-telluride, caesium iodide).이 물질들은 진공 자외선과 자외선에는 민감하지만 가시광선에는 민감하지 않기 때문에 태양광 블라인드라고 불립니다.Cs-Te는 320nm보다 긴 파장에 둔감하며, Cs-I는 200nm보다 긴 파장에 둔감합니다.

참고문헌

^ ^a ^b Rao, T., & Dowell, D.H. (2013)사진 주입기에 대한 엔지니어링 가이드입니다.Space Independent Publishing을 만듭니다.
^ Jensen, Kevin L.; Feldman, Donald W.; Moody, Nathan A.; O’Shea, Patrick G. (15 June 2006). "A photoemission model for low work function coated metal surfaces and its experimental validation". Journal of Applied Physics. 99 (12): 124905. doi:10.1063/1.2203720.
^ 브래들리, D. J., 앨런슨, MB, 그리고 홀맨, B. R. (1977).GaAs 광음극에서 방출되는 전자의 횡방향 에너지.물리학 저널 D: 응용 물리학, 10(1), 111-125. Doi: 10.1088/0022-3727/10/1/013
^ 바자로프, I.V., 던햄, B.M., Li, Y., Liu, X., Ouzounov, D.G., 싱클레어, C.K., 하논, F., & Miyajima, T. (2008).음의 전자 친화성 광음극의 열 방출 및 반응 시간 측정Journal of Applied Physics, 103(5), 054901. Doi:10.1063/1.2838209
^ 야마모토, N., 야마모토, M., 쿠와하라, M., 사카이, R., 모리노, T., 타마가키, K., 마노, A., 우츠, A., 오쿠미, S., 나카니시, T., 쿠리키, M., Bo, C., 우지하라, T., & Taketa, Y. (2007)벌크 및 초격자 음의 전자 친화성 포토캐소드로부터 생성된 전자 빔에 대한 열 방출도 측정.Journal of Applied Physics, 102(2), 024904. Doi:10.1063/1.2756376
^ Musumeci et al. (2018)."밝은 전자 소스의 진보"https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.03.019
^ Siddharth Karkare, S., Adhikari, G., Schroeder, W. A., 낭고이, J. K., Arias, T., Maxson, J., Padmore, H. (2020)."단결정 Cu(100)의 근임계 광방출을 통한 극저온 전자."닥터 레트 125,054801
^ Parzyck et al. (2022)."단결정 알칼리 안티모나이드 포토캐소드"물리학 박사 레트 128, 114801
^ 마르티넬리, R. U. (1973)캐소드 범프가 근접 초점 이미지 튜브의 공간 해상도에 미치는 영향응용광학, 12(8), 1841. Doi:10.1364/AO.12.001841
^ Siggins, T; Sinclair, C; Bohn, C; Bullard, D; Douglas, D; Grippo, A; Gubeli, J; Krafft, G. A; Yunn, B (2001-12-21). "Performance of a DC GaAs photocathode gun for the Jefferson lab FEL". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. FEL2000: Proc. 22nd Int. Free Electron Laser Conference and 7th F EL Users Workshop. 475 (1): 549–553. Bibcode:2001NIMPA.475..549S. doi:10.1016/S0168-9002(01)01596-0. ISSN 0168-9002.
^ Mamun, M. A.; Hernandez-Garcia, C.; Poelker, M.; Elmustafa, A. A. (2015-06-01). "Correlation of CsK2Sb photocathode lifetime with antimony thickness". APL Materials. 3 (6): 066103. Bibcode:2015APLM....3f6103M. doi:10.1063/1.4922319.
^ Fielding, Raymond (1983). A Technological History of Motion Pictures and Television. University of California Press. pp. 360. ISBN 9780520050648.
^ Pierce, D. T.; Celotta, R. J.; Wang, G.‐C.; Unertl, W. N.; Galejs, A.; Kuyatt, C. E.; Mielczarek, S. R. (April 1980). "The GaAs spin polarized electron source". Review of Scientific Instruments. 51 (4): 478–499. Bibcode:1980RScI...51..478P. doi:10.1063/1.1136250. ISSN 0034-6748.
^ "The optimization of (Cs,O) activation of NEA photocathode - IEEE Conference Publication". doi:10.1109/IVESC.2004.1414231. S2CID 25911728. {{cite journal}}:저널 요구사항 인용 journal=(도움말)
^ Grames, J.; Suleiman, R.; Adderley, P. A.; Clark, J.; Hansknecht, J.; Machie, D.; Poelker, M.; Stutzman, M. L. (2011-04-20). "Charge and fluence lifetime measurements of a dc high voltage GaAs photogun at high average current". Physical Review Special Topics: Accelerators and Beams. 14 (4): 043501. Bibcode:2011PhRvS..14d3501G. doi:10.1103/physrevstab.14.043501. ISSN 1098-4402.

외부 링크

하마마츠 포토닉스의 광전자 증배관 기초 및 응용

[:0-1] Rao, T., & Dowell, D.H. (2013)사진 주입기에 대한 엔지니어링 가이드입니다.Space Independent Publishing을 만듭니다.

[2] Jensen, Kevin L.; Feldman, Donald W.; Moody, Nathan A.; O’Shea, Patrick G. (15 June 2006). "A photoemission model for low work function coated metal surfaces and its experimental validation". Journal of Applied Physics. 99 (12): 124905. doi:10.1063/1.2203720.

[3] 브래들리, D. J., 앨런슨, MB, 그리고 홀맨, B. R. (1977).GaAs 광음극에서 방출되는 전자의 횡방향 에너지.물리학 저널 D: 응용 물리학, 10(1), 111-125. Doi: 10.1088/0022-3727/10/1/013

[4] 바자로프, I.V., 던햄, B.M., Li, Y., Liu, X., Ouzounov, D.G., 싱클레어, C.K., 하논, F., & Miyajima, T. (2008).음의 전자 친화성 광음극의 열 방출 및 반응 시간 측정Journal of Applied Physics, 103(5), 054901. Doi:10.1063/1.2838209

[5] 야마모토, N., 야마모토, M., 쿠와하라, M., 사카이, R., 모리노, T., 타마가키, K., 마노, A., 우츠, A., 오쿠미, S., 나카니시, T., 쿠리키, M., Bo, C., 우지하라, T., & Taketa, Y. (2007)벌크 및 초격자 음의 전자 친화성 포토캐소드로부터 생성된 전자 빔에 대한 열 방출도 측정.Journal of Applied Physics, 102(2), 024904. Doi:10.1063/1.2756376

[6] Musumeci et al. (2018)."밝은 전자 소스의 진보"https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.03.019

[7] Siddharth Karkare, S., Adhikari, G., Schroeder, W. A., 낭고이, J. K., Arias, T., Maxson, J., Padmore, H. (2020)."단결정 Cu(100)의 근임계 광방출을 통한 극저온 전자."닥터 레트 125,054801

[8] Parzyck et al. (2022)."단결정 알칼리 안티모나이드 포토캐소드"물리학 박사 레트 128, 114801

[9] 마르티넬리, R. U. (1973)캐소드 범프가 근접 초점 이미지 튜브의 공간 해상도에 미치는 영향응용광학, 12(8), 1841. Doi:10.1364/AO.12.001841

[10] Siggins, T; Sinclair, C; Bohn, C; Bullard, D; Douglas, D; Grippo, A; Gubeli, J; Krafft, G. A; Yunn, B (2001-12-21). "Performance of a DC GaAs photocathode gun for the Jefferson lab FEL". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. FEL2000: Proc. 22nd Int. Free Electron Laser Conference and 7th F EL Users Workshop. 475 (1): 549–553. Bibcode:2001NIMPA.475..549S. doi:10.1016/S0168-9002(01)01596-0. ISSN 0168-9002.

[11] Mamun, M. A.; Hernandez-Garcia, C.; Poelker, M.; Elmustafa, A. A. (2015-06-01). "Correlation of CsK2Sb photocathode lifetime with antimony thickness". APL Materials. 3 (6): 066103. Bibcode:2015APLM....3f6103M. doi:10.1063/1.4922319.

[12] Fielding, Raymond (1983). A Technological History of Motion Pictures and Television. University of California Press. pp. 360. ISBN 9780520050648.

[13] Pierce, D. T.; Celotta, R. J.; Wang, G.‐C.; Unertl, W. N.; Galejs, A.; Kuyatt, C. E.; Mielczarek, S. R. (April 1980). "The GaAs spin polarized electron source". Review of Scientific Instruments. 51 (4): 478–499. Bibcode:1980RScI...51..478P. doi:10.1063/1.1136250. ISSN 0034-6748.

[14] "The optimization of (Cs,O) activation of NEA photocathode - IEEE Conference Publication". doi:10.1109/IVESC.2004.1414231. S2CID 25911728. {{cite journal}}:저널 요구사항 인용 journal=(도움말)

[15] Grames, J.; Suleiman, R.; Adderley, P. A.; Clark, J.; Hansknecht, J.; Machie, D.; Poelker, M.; Stutzman, M. L. (2011-04-20). "Charge and fluence lifetime measurements of a dc high voltage GaAs photogun at high average current". Physical Review Special Topics: Accelerators and Beams. 14 (4): 043501. Bibcode:2011PhRvS..14d3501G. doi:10.1103/physrevstab.14.043501. ISSN 1098-4402.

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