फोटोकैथोड

सीएस-के-एसबी फोटोकैथोड एक मोलिब्डेनम प्लग (ए) पर केंद्रित है, तैयारी कक्ष में वृद्धि के बाद और (बी) फोटोइंजेक्टर में स्थानांतरण के बाद

फोटोकैथोड एक सतह अभियांत्रिकी है जिसे प्रकाश विद्युत प्रभाव का उपयोग करके, प्रकाश को इलेक्ट्रॉन में परिवर्तित करने के लिए प्ररूपित किया जाता है। फोटोकैथोड त्वरक भौतिकी में महत्वपूर्ण हैं जहाँ वे फोटोइंजेक्टर में उपयोग किए जाते हैं ताकि उच्च चमकदार इलेक्ट्रॉन किरण उत्पन्न किया जा सकें। फोटोकैथोड से उत्पन्न इलेक्ट्रॉन किरण सामान्यतः मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेजर और अत्यन्त त्वरित इलेक्ट्रॉन विवर्तन के लिए उपयोग किए जाते हैं। फोटोकैथोड का उपयोग सामान्यतः प्रकाश का पता लगाने वाले उपकरण जैसे कि प्रकाशगुणक या प्रकाशनलिका में नकारात्मक रूप से आवेशित संधारकों के रूप में किया जाता है।

महत्वपूर्ण गुण

क्वांटम दक्षता (क्यूई)

क्वांटम दक्षता एक इकाई रहित संख्या है जो प्रकाश के प्रति फोटोकैथोड की संवेदनशीलता को मापती है। यह आपतित फोटॉनों की संख्या के सापेक्ष उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की संख्या का अनुपात है।^[1] यह गुण प्रकाश की तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है जिसका उपयोग फोटोकैथोड को प्रकाशित करने के लिए किया जाता है। कई अनुप्रयोगों के लिए, क्यूई सबसे महत्वपूर्ण गुण है क्योंकि फोटोकैथोड केवल फोटॉन को विद्युत संकेत में परिवर्तित करने के लिए उपयोग किया जाता है।

क्वांटम दक्षता की गणना प्रकाश धारा ( $I$ ), लेजर बल ( $P_{\text{laser}}$ ), और या तो फोटॉन ऊर्जा ( $E_{\text{photon}}$ ) या लेजर तरंग दैर्ध्य ( $\lambda _{\text{laser}}$ ) से, निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके की जा सकती है।^[1]^[2]

${\text{QE}}={\frac {N_{\text{electron}}}{N_{\text{photon}}}}={\frac {I\cdot E_{\text{photon}}}{P_{\text{laser}}\cdot e}}\approx {\frac {I[{\text{A}}]\cdot 1234}{P_{\text{laser}}[{\text{W}}]\lambda _{\text{laser}}[{\text{nm}}]}}$

औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा तथा तापीय उत्सर्जन

कुछ अनुप्रयोगों के लिए, उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों का प्रारंभिक संवेग वितरण महत्वपूर्ण है और इसके लिए औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा और तापीय उत्सर्जन लोकप्रिय मापदंड हैं। औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा फोटोकैथोड की सतह के साथ-साथ एक दिशा में संवेग वर्ग का माध्य है और इसे सामान्यतः मिली-इलेक्ट्रॉन वोल्ट की इकाइयों में लिखा जाता है।^[3]

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

उच्च चमकदार फोटोइंजेक्टर में, औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा, किरण के प्रारंभिक किरण उत्सर्जन को निर्धारित करने में मदद करता है जो इलेक्ट्रॉनों द्वारा अधिगृहीत चरण स्थान का एक क्षेत्र है।^[4] उत्सर्जन ( $\varepsilon$ ) की गणना औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा और फोटोकैथोड पर लेजर स्पॉट आकार ( $\sigma _{x}$ ) से निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके की जा सकती है।

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

जहाँ $m_{e}c^{2}$ एक इलेक्ट्रॉन का शेष द्रव्यमान है। सामान्य रूप से उपयोग की जाने वाली इकाइयों में, यह इस प्रकार है।

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

औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा के साथ अनुप्रस्थ उत्सर्जक के मापन के कारण, कभी-कभी समीकरण को एक नई मात्रा के संदर्भ में लिखना उपयोगी होता है जिसे तापीय उत्सर्जन कहा जाता है।^[5] निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा से तापीय उत्सर्जन प्राप्त किया जाता है।

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

यह प्रायः um/mm अनुपात में व्यक्त किया जाता है जिससे लेजर स्पॉट बढ़ते समय उत्सर्जन के विकास को um की इकाइयों में व्यक्त किया जा सके। इसे सामान्यतः mm की इकाइयों में मापा जाता है।

औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा की समतुल्य परिभाषा निर्वात में उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों का तापमान है।^[6] सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले फोटोकैथोड से उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों का औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा, जैसे कि बहुक्रिस्टलीय धातु, इलेक्ट्रॉनों को प्रदान की गई अतिरिक्त ऊर्जा (आपतित फोटोन की ऊर्जा और फोटोकैथोड के कार्य फलन के मध्य का अंतर) द्वारा सीमित है। औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा को सीमित करने के लिए, फोटोकैथोड प्रायः प्रकाश उत्सर्जन द्वार के निकट संचालित होते हैं, जहां अतिरिक्त ऊर्जा शून्य हो जाती है। इस सीमा में, अधिकांश फोटो उत्सर्जन फर्मी वितरण के टेल से आता है। इसलिए, औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा तापीय रूप $k_{B}T$ से सीमित है , जहाँ $k_{B}$ बोल्ट्जमैन स्थिरांक है और $T$ ठोस में इलेक्ट्रॉनों का तापमान है।^[7] प्रकाश उत्सर्जन प्रक्रिया में अनुप्रस्थ संवेग और ऊर्जा के संरक्षण के कारण, एक स्वच्छ, परमाणु रूप से आदेशित, एकल क्रिस्टलीय फोटोकैथोड का औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा सामग्री की बैंड संरचना द्वारा निर्धारित किया जाता है। कम औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा के लिए एक आदर्श बैंड संरचना वह है जो बड़े अनुप्रस्थ गति वाले स्तिथियों से फोटो उत्सर्जन की अनुमति नहीं देती है। ^[8]

त्वरक भौतिकी के बाहर, औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा और तापीय उत्सर्जन निकटता-केंद्रित चित्रण उपकरणों के समाधान में भूमिका निभाते हैं जो फोटोकैथोड का उपयोग करते हैं।^[9] यह प्रकाश प्रवर्धक, तरंगदैर्ध्य परिवर्तकों और अब अप्रचलित प्रकाश नलिकाओ जैसे अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।

लाइफटाइम

कई फोटोकैथोडों को कार्य करने के लिए उत्कृष्ट निर्वात स्थितियों की आवश्यकता होती है और संदूषण के संपर्क में आने पर जहरीला हो जाएगा। इसके अतिरिक्त, उच्च वर्तमान अनुप्रयोगों में फोटोकैथोड का उपयोग करने से यौगिकों को धीरे-धीरे नुकसान होगा क्योंकि वे आयन बैक-बमबारी के संपर्क में हैं। इन प्रभावों को फोटोकैथोड के जीवनकाल द्वारा परिमाणित किया जाता है। कैथोड मृत्यु को या तो समय या उत्सर्जित आवेश के कार्य के रूप में क्षयकारी घातांक के रूप में प्रतिरूपित किया जाता है। लाइफटाइम तो घातांक का समय स्थिर है।^[10]^[11]

उपयोग करता है

कई वर्षों तक प्रकाश को इलेक्ट्रॉन धारा में परिवर्तित करने के लिए फोटोकैथोड एकमात्र व्यावहारिक तरीका था। जैसे कि यह 'इलेक्ट्रिक फिल्म' के रूप में कार्य करता है और फोटोग्राफी की कई विशेषताओं को साझा करता है। इसलिए यह ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में प्रमुख तत्व था, जैसे कि वीडियो कैमरा तुबे जैसे ऑर्थोकॉन और विडिकॉन, और नाइट विजन डिवाइस, कन्वर्टर्स और प्रकाश विदारक जैसे इमेज ट्यूब में। मोशन डिटेक्टर और काउंटर के लिए साधारण फोटोट्यूब का उपयोग किया गया।

मूवी प्रोजेक्टर में मूवी फिल्म के किनारे पर ध्वनि-ऑन-फिल्म को पढ़ने के लिए फोटोट्यूब का उपयोग वर्षों से किया जाता रहा है।^[12] photodiode जैसे ठोस राज्य ऑप्टिकल उपकरणों के हालिया विकास ने फोटोकैथोड के उपयोग को उन मामलों में कम कर दिया है जहां वे अभी भी अर्धचालक उपकरणों से बेहतर हैं।

निर्माण

फोटोकैथोड एक वैक्यूम में काम करते हैं, इसलिए उनका डिज़ाइन वेक्यूम - ट्यूब तकनीक के समानांतर होता है। तब से अधिकांश कैथोड हवा के प्रति संवेदनशील होते हैं फोटोकैथोड का निर्माण आम तौर पर तब होता है जब बाड़े को खाली कर दिया जाता है। ऑपरेशन में फोटोकैथोड को इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन सुनिश्चित करने के लिए पास के सकारात्मक एनोड के साथ एक विद्युत क्षेत्र की आवश्यकता होती है। आज के फोटोकैथोड के निर्माण में आणविक किरण एपिटॉक्सी का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। मिलान किए गए जाली पैरामीटर के साथ एक सब्सट्रेट का उपयोग करके, क्रिस्टलीय फोटोकैथोड बनाया जा सकता है और उच्च किरण उत्सर्जन इलेक्ट्रॉन किरण प्राप्त करने के लिए जाली के ब्रिलौइन क्षेत्र में एक ही स्थिति से इलेक्ट्रॉन किरण बाहर आ सकते हैं।

फोटोकैथोड दो व्यापक समूहों में विभाजित होते हैं; संचरण और चिंतनशील। एक संचरण प्रकार सामान्यतः एक कांच की खिड़की पर एक कोटिंग होता है जिसमें प्रकाश एक सतह से टकराता है और इलेक्ट्रॉन विपरीत सतह से बाहर निकल जाते हैं। एक परावर्तक प्रकार सामान्यतः एक अपारदर्शी धातु इलेक्ट्रोड आधार पर बनता है, जहां प्रकाश प्रवेश करता है और इलेक्ट्रॉन उसी तरफ से बाहर निकलते हैं। एक भिन्नता दोहरा प्रतिबिंब प्रकार है, जहां धातु का आधार दर्पण जैसा होता है, जिससे प्रकाश पैदा होता है जो फोटोकैथोड के माध्यम से बिना उत्सर्जन के दूसरे प्रयास के लिए वापस बाउंस हो जाता है। यह कई स्तनधारियों पर एक चमकीला कालीन की नकल करता है।

एक फोटोकैथोड की प्रभावशीलता को सामान्यतः क्वांटम दक्षता के रूप में व्यक्त किया जाता है, जो कि उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन बनाम इंपिंगिंग क्वांटा (प्रकाश का) का अनुपात होता है। दक्षता निर्माण के साथ-साथ भिन्न होती है, क्योंकि इसे एक मजबूत विद्युत क्षेत्र के साथ सुधारा जा सकता है।

लक्षण वर्णन

फोटोकैथोड की सतह को विभिन्न सतह संवेदनशील तकनीकों जैसे स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप | स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी (एसटीएम) और एक्स - रे फ़ोटोइलैक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा चित्रित किया जा सकता है।

कोटिंग्स

हालांकि एक सादा धात्विक कैथोड फोटोइलेक्ट्रिक गुणों को प्रदर्शित करेगा, विशेष कोटिंग प्रभाव को बहुत बढ़ा देती है। एक फोटोकैथोड में सामान्यतः बहुत कम काम करने वाले क्षार धातु होते हैं।

कोटिंग अंतर्निहित धातु की तुलना में बहुत अधिक आसानी से इलेक्ट्रॉनों को छोड़ती है, जिससे यह अवरक्त विकिरण में कम ऊर्जा वाले फोटॉन का पता लगाने की अनुमति देता है। लेंस देखे जा रहे वस्तु से विकिरण को लेपित कांच की एक परत तक पहुंचाता है। फोटॉन धातु की सतह पर प्रहार करते हैं और इलेक्ट्रॉनों को उसके पिछले हिस्से में स्थानांतरित करते हैं। मुक्त इलेक्ट्रॉनों को फिर अंतिम प्रकाश बनाने के लिए एकत्र किया जाता है।