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।

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

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।

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

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। 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।

$$\varepsilon = \sigma_x\sqrt{\frac{\text{MTE}}{m_ec^2}} $$

जहाँ $$m_ec^2$$ 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। निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके औसत अनुप्रस्थ ऊर्जा से तापीय उत्सर्जन प्राप्त किया जाता है।

$$\varepsilon_{\text{th}} = \sqrt{\frac{\text{MTE}}{m_ec^2}}$$

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। 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 $$k_BT$$ से सीमित है, जहाँ $$k_B$$ 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 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।

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। यह प्रकाश प्रवर्धक, तरंगदैर्ध्य परिवर्तकों और अब अप्रचलित प्रकाश नलिकाओ जैसे अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।

जीवनकाल
कई फोटोकैथोडों को कार्य करने के लिए उत्कृष्ट निर्वात स्थितियों की आवश्यकता होती है और संदूषण के संपर्क में आने पर यह जहरीला हो जाता है। इसके अतिरिक्त, उच्च वर्तमान अनुप्रयोगों में फोटोकैथोड का उपयोग करने से धीरे-धीरे इनके घटकों का क्षय होगा क्योंकि वे आयन बैक-बमबारी के द्वारा संचालित होतें 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। इस प्रकार जीवनकाल समय स्थिरांक का घातांक है।

उपयोग
कई वर्षों तक प्रकाश को इलेक्ट्रॉन धारा में परिवर्तित करने के लिए फोटोकैथोड ही एकमात्र व्यावहारिक विधि थी। क्योंकि यह 'विद्युतकीय झिल्ली' के रूप में कार्य करता है और छायाचित्रण की कई विशेषताओं को साझा करता है। इसलिए यह प्रकाश-विद्युतकीय उपकरणों में प्रमुख तत्व था, जैसे कि वीडियो कैमरा ट्यूब जैसे ऑर्थोकॉन और विडिकॉन, और रात्रि दृष्टि उपकरण, परिवर्तक और  प्रकाश विदारक जैसे छाया नलिकाओ आदि में। इनका उपयोग गति संसूचकों और काउंटर के लिए साधारण फोटोट्यूब के रूप में भी किया जाता है।

मूवी प्रोजेक्टर में मूवी फिल्म के किनारे पर फिल्म में ध्वनि को पढ़ने के लिए प्रकाशनलिकाओ का उपयोग वर्षों से किया जाता रहा है।

फोटो डायोड जैसे ठोस स्थिति प्रकाशकीय उपकरणों के तात्कालिक विकास ने फोटोकैथोड के उपयोग को उन परिप्रेक्ष में कम कर दिया है जहां वे अभी भी अर्धचालक उपकरणों से उपयुक्त हैं।

निर्माण
फोटोकैथोड निर्वात में कार्य करते हैं, इसलिए उनका प्रारूपण निर्वात-नलिका तकनीक के समानांतर होता है। चूंकि अधिकांश कैथोड वायु के प्रति संवेदनशील होते हैं, फोटोकैथोड का निर्माण सामान्यतः तब होता है जब अंतःक्षेत्र को खाली कर दिया जाता है। संक्रिया में फोटोकैथोड को इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन सुनिश्चित करने के लिए निकट के सकारात्मक धनाग्र के साथ एक विद्युत क्षेत्र की आवश्यकता होती है। आज के फोटोकैथोड के निर्माण में आणविक किरण अधिरोहण का उपयोग व्यापक रूप से किया जाता है। मिलान किए गए जाली मापदंड के साथ एक क्रियाधार का उपयोग करके, क्रिस्टलीय फोटोकैथोड निर्मित किया 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 परावर्तक। एक संचरण प्रकार, सामान्यतः एक कांच की खिड़की पर एक लेपन 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 संधारक आधार पर निर्मित होता 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 उत्पन्न होता है जो फोटोकैथोड के माध्यम से बिना उत्सर्जन के दूसरे प्रयास के लिए वापस चला जाता है। यह कई स्तनधारियों में रेटिना की नकल करता है।

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

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

लेपन
यद्यपि एक सादा धात्विक ऋणाग्र, प्रकाश-विद्युतीय गुणों को प्रदर्शित करेगा, विशेष कोटिंग इस प्रभाव में अत्यधिक वृद्धि कर देती है। एक फोटोकैथोड में सामान्यतः बहुत कम कार्य करने वाले क्षार धातु होते हैं।

लेपन अंतर्निहित धातु की तुलना में अत्यधिक सरलता से इलेक्ट्रॉनों को उत्सर्जित करती 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 भाग में स्थानांतरित करते हैं। मुक्त इलेक्ट्रॉनों को पुनः अंतिम प्रकाश निर्मित करने 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। जिसकी संवेदनशीलता 300 एनएम से 1200 एनएम तक थी। चूँकि Ag-O-Cs में अधिक आधुनिक सामग्रियों की तुलना में अधिक अदीप्त धारा होती है, इसलिए इस फोटोकैथोड सामग्री के साथ फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब आजकल केवल इन्फ्रारेड क्षेत्र में शीतलन के साथ उपयोग किए जाते हैं।
 * Sb-Cs ( सुरमा -सीज़ियम) में पराबैगनी से प्रकाशीय वर्णक्रम के लिए वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया होती है और इसका उपयोग मुख्य रूप से प्रतिबिंब-मोड फोटोकैथोड में किया जाता है।
 * बायल्कली (एंटिमनी-रुबीडियम-सीजी Sb-Rb-Cs, एंटिमनी-पोटैशियम-सीजी Sb-K-Cs) : Sb-Cs फोटोकैथोड के समान वरक्राम प्रतिक्रिया सीमा होती है, परंतु Sb-Cs से उच्च प्रतिक्रिया और कम अदीप्त धारा होती है। वे सबसे साधारण प्रस्फुरक सामग्रियों के लिए अच्छी प्रतिक्रिया वाले होते हैं और इसलिए प्रायः प्रस्फुरक काउंटर में आयनिक विकिरण मापने के लिए उपयोग किए जाते हैं।
 * उच्च तापमान वाली बायोकली या कम शोर वाली बायोकली (सोडियम-पोटेशियम-एंटीमनी, ना-के-एसबी) : इस सामग्री का उपयोग प्रायः 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 अदीप्त ऊर्जा के साथ संचालित होता है, जो इसे फोटॉन की गिनती अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए आदर्श बनाता है।
 * मल्टीअलकली(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 विस्तृत बैंड स्पेक्ट्रम प्रकाशमापी और फोटॉन गणना 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 क्षेत्र को परिलक्षित 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 गुणों में से एक है, यह सतह पर Cs के जमाव के कारण नकारात्मक इलेक्ट्रॉन संबंध प्राप्त कर सकता है। यद्यपि GaAs अतिसंवेदनशील 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 क्षेत्र में विस्तारित संवेदनशीलता प्रस्तुत करता है। इसके अतिरिक्त, 900 nm और 1000 nm के मध्य की सीमा में, InGaAs में Ag-O-Cs की तुलना में उपयुक्त संकेत से कोलाहल अनुपात है। विशेष निर्माण तकनीकों के साथ यह फोटोकैथोड 1700 एनएम तक कार्य कर सकता है।
 * Cs-Te, Cs-I (सीज़ियम-टेल्यूराइड, सीज़ियम आयोडाइड. ये सामग्रियां निर्वात पराबैगनी और पराबैगनी किरणों के प्रति संवेदनशील हैं, परंतु दृश्यमान प्रकाश के लिए नहीं हैं और इसलिए इन्हें सौर-बंद 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