फोटोकैथोड

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।

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। 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।

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

मीन ट्रांसवर्स एनर्जी (एमटीई) और थर्मल एमिटेंस
कुछ अनुप्रयोगों के लिए, उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों का प्रारंभिक संवेग वितरण महत्वपूर्ण है और इसके लिए माध्य अनुप्रस्थ ऊर्जा (MTE) और तापीय उत्सर्जन लोकप्रिय मीट्रिक हैं। एमटीई फोटोकैथोड की सतह के साथ-साथ एक दिशा में चुकता संवेग का माध्य है और इसे सामान्यतः मिली-इलेक्ट्रॉन वोल्ट की इकाइयों में रिपोर्ट किया जाता है।

$$\text{MTE} = \frac{p_{\perp}^2}{2m_e}$$ उच्च चमक फोटोइंजेक्टर में, एमटीई किरण के प्रारंभिक किरण उत्सर्जन को निर्धारित करने में मदद करता है जो इलेक्ट्रॉनों द्वारा कब्जे वाले चरण स्थान में क्षेत्र है। उत्सर्जन ($$\varepsilon$$) की गणना एमटीई और फोटोकैथोड पर लेजर स्पॉट आकार से की जा सकती है ($$\sigma_x$$) निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके।

$$\varepsilon = \sigma_x\sqrt{\frac{\text{MTE}}{m_ec^2}} $$ कहाँ $$m_ec^2$$ एक इलेक्ट्रॉन का शेष द्रव्यमान है। सामान्यतः इस्तेमाल की जाने वाली इकाइयों में, यह इस प्रकार है।

$$\varepsilon[\text{um}]\approx\sigma_x [\text{um}]\sqrt{\frac{\text{MTE } [\text{meV}]}{511\times 10^6}}$$ एमटीई के साथ अनुप्रस्थ उत्सर्जक के स्केलिंग के कारण, कभी-कभी समीकरण को एक नई मात्रा के संदर्भ में लिखना उपयोगी होता है जिसे तापीय उत्सर्जन कहा जाता है। निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके एमटीई से थर्मल उत्सर्जन प्राप्त किया जाता है।

$$\varepsilon_{\text{th}} = \sqrt{\frac{\text{MTE}}{m_ec^2}}$$ लेजर स्पॉट बढ़ने (मिमी की इकाइयों में मापा जाता है) के रूप में उम की इकाइयों में उत्सर्जन की वृद्धि को व्यक्त करने के लिए इसे अक्सर um/mm के अनुपात में व्यक्त किया जाता है।

एमटीई की समतुल्य परिभाषा निर्वात में उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों का तापमान है। सामान्यतः इस्तेमाल किए जाने वाले फोटोकैथोड से उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों का एमटीई, जैसे कि पॉलीक्रिस्टलाइन धातु, इलेक्ट्रॉनों को प्रदान की गई अतिरिक्त ऊर्जा (घटना फोटोन की ऊर्जा और फोटोकैथोड के कार्य समारोह के बीच का अंतर) द्वारा सीमित है। एमटीई को सीमित करने के लिए, फोटोकैथोड अक्सर फोटोमिशन थ्रेसहोल्ड के पास संचालित होते हैं, जहां अतिरिक्त ऊर्जा शून्य हो जाती है। इस सीमा में, अधिकांश फोटो उत्सर्जन फर्मी वितरण के टेल से आता है। इसलिए, एमटीई तापीय रूप से सीमित है $$k_BT$$, कहाँ $$k_B$$ बोल्ट्जमैन स्थिरांक है और $$T$$ ठोस में इलेक्ट्रॉनों का तापमान है। प्रकाश उत्सर्जन प्रक्रिया में अनुप्रस्थ संवेग और ऊर्जा के संरक्षण के कारण, एक स्वच्छ, परमाणु रूप से आदेशित, एकल क्रिस्टलीय फोटोकैथोड का एमटीई सामग्री की बैंड संरचना द्वारा निर्धारित किया जाता है। कम एमटीई के लिए एक आदर्श बैंड संरचना वह है जो बड़े अनुप्रस्थ गति वाले राज्यों से फोटो उत्सर्जन की अनुमति नहीं देती है। त्वरक भौतिकी के बाहर, एमटीई और थर्मल एमिटेंस निकटता-केंद्रित इमेजिंग उपकरणों के समाधान में भूमिका निभाते हैं जो फोटोकैथोड का उपयोग करते हैं। यह इमेज इंटेंसिफायर, वेवलेंथ कन्वर्टर्स और अब अप्रचलित इमेज ट्यूब 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।

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  छवि विदारक  जैसे इमेज ट्यूब में। मोशन डिटेक्टर और काउंटर के लिए साधारण फोटोट्यूब का इस्तेमाल 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। 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 छवि बनाने के लिए एकत्र किया जाता है।

फोटोकैथोड सामग्री

 * Ag-O-Cs, जिसे S-1 भी कहा जाता है। यह पहली यौगिक फोटोकैथोड सामग्री थी, जिसे 1929 में विकसित किया गया था। संवेदनशीलता 300 एनएम से 1200 एनएम तक थी। चूँकि Ag-O-Cs में अधिक आधुनिक सामग्रियों की तुलना में अधिक डार्क करंट होता है, इसलिए इस फोटोकैथोड सामग्री के साथ फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब आजकल केवल इन्फ्रारेड क्षेत्र में कूलिंग के साथ उपयोग किए जाते हैं।
 * Sb-Cs ( सुरमा -सीज़ियम) में यूवी से ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम के लिए वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया होती है और इसका उपयोग मुख्य रूप से प्रतिबिंब-मोड फोटोकैथोड में किया जाता है।
 * बियालकली (एंटीमनी-रूबिडियम-सीज़ियम Sb-Rb-Cs, एंटीमनी- पोटैशियम -सीज़ियम Sb-K-Cs)। वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया रेंज Sb-Cs फोटोकैथोड के समान है, लेकिन Sb-Cs की तुलना में उच्च संवेदनशीलता और कम डार्क करंट (भौतिकी) के साथ। उनके पास संवेदनशीलता सबसे आम सिंटिलेटर सामग्री से अच्छी तरह से मेल खाती है और इसलिए अक्सर जगमगाहट काउंटर में विकिरण माप को आयनित करने के लिए उपयोग किया जाता है।
 * उच्च तापमान वाली बायोकली या कम शोर वाली बायोकली (सोडियम-पोटेशियम-एंटीमनी, ना-के-एसबी)। इस सामग्री का उपयोग अक्सर अच्छी तरह से लॉगिंग में किया जाता है क्योंकि यह 175 डिग्री सेल्सियस तक तापमान का सामना कर सकता है। कमरे के तापमान पर, यह फोटोकैथोड बहुत कम डार्क करंट के साथ संचालित होता है, जो इसे फोटॉन की गिनती अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए आदर्श बनाता है।
 * Multialkali (सोडियम-पोटेशियम-एंटीमनी-सीज़ियम, Na-K-Sb-Cs), जिसे S-20 भी कहा जाता है। मल्टीअलकली फोटोकैथोड में पराबैंगनी से निकट अवरक्त क्षेत्र तक व्यापक वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया होती है। यह ब्रॉड-बैंड स्पेक्ट्रोफोटोमीटर और फोटॉन काउंटिंग अनुप्रयोगों के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। एक विशेष फोटोकैथोड सक्रियण प्रसंस्करण द्वारा लंबी तरंग दैर्ध्य प्रतिक्रिया को 930 एनएम तक बढ़ाया जा सकता है। व्यापक प्रतिक्रिया के साथ, इसे कभी-कभी S-25 कहा जाता है।
 * GaAs (गैलियम (II) आर्सेनाइड)। यह फोटोकैथोड सामग्री मल्टीअलकली की तुलना में पराबैंगनी से 930 एनएम तक व्यापक वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया रेंज को कवर करती है। GaAs फोटोकैथोड का उपयोग कण त्वरक सुविधाओं में भी किया जाता है जहां ध्रुवीकृत इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है। GaAs फोटोकैथोड की महत्वपूर्ण संपत्ति में से एक है, यह सतह पर Cs के जमाव के कारण नकारात्मक इलेक्ट्रॉन संबंध प्राप्त कर सकता है। हालांकि GaAs बहुत नाजुक है और कुछ क्षति तंत्र के कारण क्वांटम दक्षता (QE) खो देता है। आयन बैक बॉम्बार्डमेंट GaAs कैथोड QE क्षय के मुख्य कारणों में से एक है।
 * InGaAs (इंडियम गैलियम आर्सेनाइड)। GaAs की तुलना में इन्फ्रारेड रेंज में विस्तारित संवेदनशीलता। इसके अलावा, 900 nm और 1000 nm के बीच की सीमा में, InGaAs में Ag-O-Cs की तुलना में बेहतर सिग्नल-टू-शोर अनुपात है। विशेष निर्माण तकनीकों के साथ यह फोटोकैथोड 1700 एनएम तक काम कर सकता है।
 * Cs-Te, Cs-I (सीज़ियम-टेल्यूराइड (रसायन विज्ञान), सीज़ियम आयोडाइड). ये सामग्रियां वैक्यूम यूवी और यूवी किरणों के प्रति संवेदनशील हैं, लेकिन दृश्यमान प्रकाश के लिए नहीं हैं और इसलिए इन्हें सोलर ब्लाइंड कहा जाता है। Cs-Te 320 एनएम से अधिक लंबी तरंग दैर्ध्य के प्रति असंवेदनशील है, और Cs-I 200 एनएम से अधिक लंबी तरंग दैर्ध्य के प्रति असंवेदनशील है।

बाहरी संबंध

 * Photomultiplier Tubes Basics and Applications from Hamamatsu Photonics