الكاثود الضوئي

الكاثود الضوئي سطح مصمم هندسيًا لتحويل الضوء ( الفوتونات ) إلى إلكترونات باستخدام التأثير الكهروضوئي . تُعد الكاثودات الضوئية مهمة في فيزياء المسرعات ، حيث تُستخدم في حاقن ضوئي لتوليد حزم إلكترونية عالية السطوع . وتُستخدم حزم الإلكترونات المولدة بواسطة الكاثودات الضوئية بشكل شائع في ليزرات الإلكترون الحر وفي حيود الإلكترون فائق السرعة . كما تُستخدم الكاثودات الضوئية بشكل شائع كقطب كهربائي سالب الشحنة في أجهزة كشف الضوء، مثل المضاعف الضوئي ، والأنبوب الضوئي، ومكثف الصورة .
الخصائص المهمة
الكفاءة الكمية (QE)
الكفاءة الكمية هي قيمة عددية بلا وحدة تقيس حساسية المهبط الضوئي للضوء. وهي نسبة عدد الإلكترونات المنبعثة إلى عدد الفوتونات الساقطة. [ 1 ] وتعتمد هذه الخاصية على طول موجة الضوء المستخدم لإضاءة المهبط الضوئي. في العديد من التطبيقات، تُعدّ الكفاءة الكمية الخاصية الأهم، إذ تُستخدم المهابط الضوئية حصراً لتحويل الفوتونات إلى إشارة كهربائية.
يمكن حساب الكفاءة الكمية من التيار الضوئي (), طاقة الليزر ()، وطاقة الفوتون () أو طول موجة الليزر () باستخدام المعادلة التالية. [ 1 ] [ 2 ]
متوسط الطاقة المستعرضة (MTE) والانبعاث الحراري
في بعض التطبيقات، يُعدّ توزيع الزخم الأولي للإلكترونات المنبعثة ذا أهمية بالغة، ويُعتبر كلٌّ من متوسط الطاقة المستعرضة (MTE) والانبعاث الحراري من المقاييس الشائعة لهذا الغرض. ويُعرَّف متوسط الطاقة المستعرضة بأنه تباين الزخم المستعرض في اتجاهٍ موازٍ لسطح المهبط الضوئي، ويُقاس عادةً بوحدة ملي إلكترون فولت. [ 3 ]
في أجهزة الحقن الضوئي عالية السطوع، تساعد تقنية MTE في تحديد الانبعاثية الأولية للشعاع، وهي المساحة في فضاء الطور التي تشغلها الإلكترونات. [ 4 ] الانبعاثية (يمكن حساب ) من خلال MTE وحجم بقعة الليزر على المهبط الضوئي () باستخدام المعادلة التالية.
أينهي كتلة السكون للإلكترون. وبالوحدات الشائعة الاستخدام، تكون كما يلي.
نظراً لتناسب الانبعاثية المستعرضة مع الانبعاثية الحرارية المتوسطة، فإنه من المفيد أحياناً كتابة المعادلة بدلالة كمية جديدة تُسمى الانبعاثية الحرارية. [ 5 ] تُشتق الانبعاثية الحرارية من الانبعاثية الحرارية المتوسطة باستخدام المعادلة التالية.
يتم التعبير عنها في أغلب الأحيان بنسبة ميكرومتر/ملليمتر للتعبير عن نمو الانبعاثية بوحدات ميكرومتر مع نمو بقعة الليزر (المقاسة بوحدات مليمتر).
يُعرَّف مصطلح MTE أيضًا بأنه درجة حرارة الإلكترونات المنبعثة في الفراغ. [ 6 ] وتُحدَّد درجة حرارة الإلكترونات المنبعثة من المهابط الضوئية شائعة الاستخدام، مثل المعادن متعددة البلورات، بالطاقة الزائدة (الفرق بين طاقة الفوتونات الساقطة ودالة شغل المهبط الضوئي) المُزوَّدة للإلكترونات. وللحد من MTE، غالبًا ما تُشغَّل المهابط الضوئية بالقرب من عتبة الانبعاث الضوئي، حيث تميل الطاقة الزائدة إلى الصفر. في هذه الحالة، يأتي معظم الانبعاث الضوئي من ذيل توزيع فيرمي. لذلك، فإن MTE محدود حراريًا بـ، أينهو ثابت بولتزمان وهي درجة حرارة الإلكترونات في المادة الصلبة. [ 7 ]
بسبب حفظ الزخم العرضي والطاقة في عملية الانبعاث الضوئي، فإنّ كفاءة نقل الطاقة (MTE) لمهبط ضوئي أحادي البلورة نظيف ومرتب ذريًا تتحدد ببنية نطاقات المادة. وتُعتبر بنية النطاقات المثالية لكفاءات نقل الطاقة المنخفضة هي تلك التي لا تسمح بالانبعاث الضوئي من حالات الزخم العرضي الكبير. [ 8 ]
وبعيدًا عن فيزياء المسرعات، يلعب كل من الانبعاث الحراري والانبعاث المغناطيسي دورًا في دقة أجهزة التصوير ذات التركيز القريب التي تستخدم الكاثودات الضوئية. [ 9 ] وهذا أمر بالغ الأهمية لتطبيقات مثل مكثفات الصور، ومحولات الطول الموجي، وأنابيب التصوير التي أصبحت الآن قديمة.
حياة
تتطلب العديد من الكاثودات الضوئية ظروف فراغ ممتازة للعمل، وتتعرض للتلف عند تعرضها للملوثات. إضافةً إلى ذلك، يؤدي استخدام الكاثودات الضوئية في تطبيقات التيار العالي إلى تلف المركبات تدريجيًا نتيجة تعرضها لقصف أيوني عكسي. تُقاس هذه التأثيرات بعمر الكاثود الضوئي. يُنمذج موت الكاثود بدالة أسية متناقصة كدالة للزمن أو الشحنة المنبعثة. وبالتالي، فإن عمر الكاثود هو الثابت الزمني للدالة الأسية. [ 10 ] [ 11 ]
الاستخدامات
لسنوات عديدة، كانت الكاثودات الضوئية الطريقة العملية الوحيدة لتحويل الضوء إلى تيار إلكتروني. ولذلك، فهي تعمل كنوع من "الأغشية الكهربائية" وتشترك في العديد من خصائص التصوير الفوتوغرافي. لذا، كانت العنصر الأساسي في الأجهزة الكهروضوئية، مثل أنابيب كاميرات التلفزيون كالأورثيكون والفيديكون، وفي أنابيب الصور كالمكثفات والمحولات والمحللات . كما استُخدمت أنابيب ضوئية بسيطة في كاشفات الحركة والعدادات.
تُستخدم الأنابيب الضوئية منذ سنوات في أجهزة عرض الأفلام لقراءة المسارات الصوتية على حافة الفيلم. [ 12 ]
أدى التطور الأحدث للأجهزة البصرية ذات الحالة الصلبة مثل الثنائيات الضوئية إلى تقليل استخدام الكاثودات الضوئية إلى حالات لا تزال فيها متفوقة على أجهزة أشباه الموصلات.
بناء
تعمل الكاثودات الضوئية في بيئة مفرغة من الهواء، لذا فإن تصميمها يُشابه تقنية الصمامات المفرغة . ونظرًا لحساسية معظم الكاثودات للهواء، فإن تصنيعها يتم عادةً بعد تفريغ الغلاف الخارجي. يتطلب الكاثود الضوئي، أثناء التشغيل، مجالًا كهربائيًا مع وجود مصعد موجب قريب لضمان انبعاث الإلكترونات. يُستخدم الترسيب الجزيئي الشعاعي على نطاق واسع في تصنيع الكاثودات الضوئية اليوم. باستخدام ركيزة ذات معلمات شبكية متطابقة، يُمكن تصنيع كاثودات ضوئية بلورية، كما يُمكن أن تنبعث حزم الإلكترونات من نفس الموضع في منطقة بريلوين للشبكة البلورية، مما يُتيح الحصول على حزم إلكترونية عالية السطوع .
تنقسم الكاثودات الضوئية إلى مجموعتين رئيسيتين: ناقلة وعاكسة. النوع الناقل عبارة عن طبقة طلاء على نافذة زجاجية، حيث يسقط الضوء على أحد سطحيها وتخرج الإلكترونات من السطح المقابل. أما النوع العاكس، فيُصنع عادةً على قاعدة قطب معدني معتم، حيث يدخل الضوء وتخرج الإلكترونات من نفس الجانب. ومن الأنواع الأخرى النوع العاكس المزدوج، حيث تكون القاعدة المعدنية عاكسة كالمرآة، مما يؤدي إلى انعكاس الضوء الذي مر عبر الكاثود الضوئي دون انبعاث، ليعود مرة أخرى. وهذا يحاكي شبكية العين لدى العديد من الثدييات.
تُقاس فعالية المهبط الضوئي عادةً بالكفاءة الكمية، وهي نسبة الإلكترونات المنبعثة إلى الكمات الضوئية الساقطة. وتختلف الكفاءة باختلاف تصميم المهبط، إذ يمكن تحسينها بزيادة شدة المجال الكهربائي.
توصيف
يمكن توصيف سطح الكاثودات الضوئية بواسطة تقنيات حساسة للسطح مختلفة مثل المجهر النفقي الماسح (STM) ومطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية .
الطلاءات
على الرغم من أن المهبط المعدني العادي يُظهر خصائص كهروضوئية، إلا أن الطلاء المتخصص يزيد من هذا التأثير بشكل كبير. ويتكون المهبط الضوئي عادةً من معادن قلوية ذات وظائف شغل منخفضة للغاية .
تُطلق الطبقة المطلية الإلكترونات بسهولة أكبر بكثير من المعدن الأساسي، مما يسمح لها برصد الفوتونات منخفضة الطاقة في الأشعة تحت الحمراء. تنقل العدسة الإشعاع من الجسم المراد تصويره إلى طبقة من الزجاج المطلي. تصطدم الفوتونات بسطح المعدن وتنقل الإلكترونات إلى جانبه الخلفي. ثم تُجمع الإلكترونات المتحررة لتكوين الصورة النهائية.
مواد الكاثود الضوئي
- مادة Ag-O-Cs، والمعروفة أيضًا باسم S-1 ، هي أول مادة مركبة للكاثود الضوئي، طُوّرت عام 1929. تتميز بحساسية تتراوح بين 300 نانومتر و1200 نانومتر. ونظرًا لأن تيارها المظلم أعلى من المواد الحديثة، فإن أنابيب المضاعف الضوئي التي تستخدم هذه المادة في الكاثود الضوئي تُستخدم حاليًا فقط في نطاق الأشعة تحت الحمراء مع التبريد.
- يتميز مركب Sb-Cs ( الأنتيمون - السيزيوم ) باستجابة طيفية من الأشعة فوق البنفسجية إلى الضوء المرئي ويستخدم بشكل أساسي في الكاثودات الضوئية ذات وضع الانعكاس.
- القلويات الثنائية ( أنتيمون - روبيديوم - سيزيوم Sb-Rb-Cs، أنتيمون - بوتاسيوم - سيزيوم Sb-K-Cs). نطاق الاستجابة الطيفية مشابه لنطاق الكاثود الضوئي Sb-Cs، ولكن بحساسية أعلى وتيار مظلم أقل . تتميز هذه القلويات بحساسية متوافقة مع معظم مواد الوميض الشائعة ، ولذلك تُستخدم بكثرة لقياس الإشعاع المؤين في عدادات الوميض .
- ثنائي القلويات عالي الحرارة أو ثنائي القلويات منخفض الضوضاء ( صوديوم - بوتاسيوم - أنتيمون ، Na-K-Sb). يُستخدم هذا النوع من المواد بكثرة في تسجيل آبار النفط لقدرته على تحمل درجات حرارة تصل إلى 175 درجة مئوية. عند درجة حرارة الغرفة، يعمل هذا الكاثود الضوئي بتيار مظلم منخفض للغاية، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في تطبيقات عد الفوتونات .
- الكاثود الضوئي متعدد القلويات ( الصوديوم - البوتاسيوم - الأنتيمون - السيزيوم ، Na-K-Sb-Cs)، ويُسمى أيضًا S-20 . يتميز هذا الكاثود باستجابة طيفية واسعة تمتد من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة، ويُستخدم على نطاق واسع في أجهزة قياس الطيف الضوئي واسعة النطاق وتطبيقات عد الفوتونات . ويمكن توسيع نطاق استجابته للأطوال الموجية الطويلة إلى 930 نانومتر من خلال عملية تنشيط خاصة للكاثود الضوئي. ونظرًا لاتساع نطاق الاستجابة، يُشار إليه أحيانًا باسم S-25 .
- GaAs ( زرنيخيد الغاليوم الثنائي ). تغطي مادة الكاثود الضوئي هذه نطاق استجابة طيفية أوسع من القلويات المتعددة، من الأشعة فوق البنفسجية إلى 930 نانومتر. تُستخدم كاثودات GaAs الضوئية أيضًا في مرافق المسرعات التي تتطلب إلكترونات مستقطبة. [ 13 ] من أهم خصائص كاثود GaAs الضوئي قدرته على تحقيق ألفة إلكترونية سالبة نتيجة ترسب السيزيوم على سطحه. [ 14 ] مع ذلك، فإن GaAs مادة حساسة للغاية وتفقد كفاءتها الكمية (QE) بسبب عدة آليات تلف. يُعدّ القصف العكسي للأيونات أحد الأسباب الرئيسية لتدهور كفاءة كاثود GaAs الكمية. [ 15 ]
- إنديوم غاليوم أرسينيد (InGaAs ). يتميز بحساسية ممتدة في نطاق الأشعة تحت الحمراء مقارنةً بـ GaAs. علاوة على ذلك، في النطاق بين 900 نانومتر و1000 نانومتر، يتمتع InGaAs بنسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل بكثير من Ag-O-Cs. وباستخدام تقنيات تصنيع خاصة، يمكن لهذا المهبط الضوئي العمل حتى 1700 نانومتر.
- مادة تيلوريد السيزيوم (Cs-Te ) ومادة يوديد السيزيوم ( Cs -I ) حساسيتان للأشعة فوق البنفسجية في الفراغ والأشعة فوق البنفسجية العادية ، لكنهما غير حساستين للضوء المرئي، ولذلك تُعرفان باسم "المواد غير الحساسة للضوء الشمسي". مادة تيلوريد السيزيوم غير حساسة للأطوال الموجية التي تزيد عن 320 نانومتر، بينما مادة يوديد السيزيوم غير حساسة للأطوال الموجية التي تزيد عن 200 نانومتر.
مراجع
- 1 2 راو، ت. ، ودويل، د.هـ. (2013). دليل هندسي لحاقنات الصور . دار النشر المستقلة كريت سبيس.
- ↑ جنسن، كيفن ل.؛ فيلدمان، دونالد و.؛ مودي، ناثان أ.؛ أوشيا، باتريك ج. (15 يونيو 2006). "نموذج انبعاث ضوئي للأسطح المعدنية المطلية ذات دالة الشغل المنخفضة والتحقق التجريبي منه". مجلة الفيزياء التطبيقية . 99 (12): 124905–124905–19. Bibcode : 2006JAP....99l4905J . doi : 10.1063/1.2203720 .
- ↑ برادلي، دي جيه، ألينسون، إم بي، وهولمان، بي آر (1977). الطاقة المستعرضة للإلكترونات المنبعثة من المهابط الضوئية المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم. مجلة الفيزياء د: الفيزياء التطبيقية ، 10 (1)، 111-125. doi : 10.1088/0022-3727/10/1/013
- ↑ بازاروف، آي في، دونهام، بي إم، لي، واي، ليو، إكس، أوزونوف، دي جي، سنكلير، سي كيه، هانون، إف، ومياجيما، تي (2008). قياسات الانبعاث الحراري وزمن الاستجابة للكاثودات الضوئية ذات الألفة الإلكترونية السالبة. مجلة الفيزياء التطبيقية ، 103 (5)، 054901. doi : 10.1063/1.2838209
- ^ ياماموتو، ن.، ياماموتو، م.، كوهارا، م.، ساكاي، ر.، مورينو، ت.، تاماجاكي، ك.، مانو، أ.، أوتسو، أ.، أوكومي، إس، ناكانيشي، ت.، كوريكي، م.، بو، سي، أوجيهارا، ت.، وتاكيدا، ي. (2007). قياسات الانبعاث الحراري لحزم الإلكترون المنتجة من الكاثودات الضوئية السالبة ذات التقارب الإلكتروني السائب والشبكة الفائقة. مجلة الفيزياء التطبيقية ، 102 (2)، 024904. دوى : 10.1063/1.2756376
- ↑ موسوميسي وآخرون (2018). "تطورات في مصادر الإلكترونات الساطعة". https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.03.019
- ↑ سيدهارث كاركاري، إس.، أدهيكاري، جي.، شرودر، دبليو. إيه.، نانغوي، جيه. كيه.، أرياس، تي.، ماكسون، جيه.، وبادمور، إتش. (2020). "الإلكترونات فائقة البرودة عبر الانبعاث الضوئي القريب من العتبة من بلورة أحادية من النحاس Cu(100)." مجلة Physical Review Letters، المجلد 125، 054801.
- ↑ بارزيك وآخرون (2022). "مهابط ضوئية من الأنتيمونيد القلوي أحادي البلورة." مجلة Physical Review Letters، المجلد 128، 114801.
- ↑ مارتينيلي، آر يو (1973). تأثير خشونة الكاثود على الدقة المكانية لأنابيب الصور ذات التركيز القريب. البصريات التطبيقية ، 12 (8)، 1841. doi : 10.1364/AO.12.001841
- ↑ سيغينز، ت؛ سنكلير، س؛ بون، س؛ بولارد، د؛ دوغلاس، د؛ غريبو، أ؛ غوبيلي، ج؛ كرافت، ج. أ؛ يون، ب (21-12-2001). "أداء مدفع ضوئي من زرنيخيد الغاليوم يعمل بالتيار المستمر لمختبر جيفرسون للإلكترونات الحرة" . مجلة الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم أ: المسرعات، المطيافات، الكواشف والمعدات المرتبطة بها . FEL2000: وقائع المؤتمر الدولي الثاني والعشرين لليزر الإلكترون الحر وورشة عمل مستخدمي ليزر الإلكترون الحر السابعة. 475 (1): 549-553 . Bibcode : 2001NIMPA.475..549S . doi : 10.1016/S0168-9002(01)01596-0 . ISSN 0168-9002 .
- ↑ مامون، م.أ.؛ هيرنانديز-غارسيا، س.؛ بولكر، م.؛ المصطفى، أ.أ. (2015-06-01). "ارتباط عمر الكاثود الضوئي CsK2Sb بسُمك طبقة الأنتيمون" . مواد APL . 3 (6): 066103. Bibcode : 2015APLM....3f6103M . doi : 10.1063/1.4922319 .
- ↑ فيلدينغ ، ريموند (1983). تاريخ تكنولوجي للصور المتحركة والتلفزيون . مطبعة جامعة كاليفورنيا. ص 360. ISBN 978-0-520-05064-8.
- ↑ بيرس، د. ت.؛ سيلوتا، ر. ج.؛ وانغ، ج.-س.؛ أونيرتل، و. ن.؛ غاليجس، أ.؛ كويات، س. إ.؛ ميلتشازيك، س. ر. (أبريل 1980). "مصدر الإلكترونات المستقطبة باللف المغزلي من زرنيخيد الغاليوم". مجلة الأدوات العلمية . 51 (4): 478-499 . رمز Bibcode : 1980RScI...51..478P . doi : 10.1063/1.1136250 . ISSN 0034-6748 .
- ↑ "تحسين تنشيط (Cs,O) للكاثود الضوئي NEA - منشور مؤتمر IEEE". doi : 10.1109/IVESC.2004.1414231 . S2CID 25911728 .
{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal= - ↑ غرامز، ج.؛ سليمان، ر.؛ أديرلي، ب.أ.؛ كلارك، ج.؛ هانسكنيشت، ج.؛ ماتشي، د.؛ بولكر، م.؛ ستوتزمان، م.ل. (2011-04-20). "قياسات عمر الشحنة والتدفق لمدفع ضوئي من زرنيخيد الغاليوم عالي الجهد بتيار مستمر عند متوسط تيار عالٍ" . مجلة Physical Review Special Topics: Accelerators and Beams . 14 (4) 043501. Bibcode : 2011PhRvS..14d3501G . doi : 10.1103/physrevstab.14.043501 . ISSN 1098-4402 .
روابط خارجية
- أنابيب التضخيم الضوئي ( مؤرشفة بتاريخ 4 مايو 2014 في أرشيف الإنترنت ) - أساسيات وتطبيقات من شركة هاماماتسو فوتونيكس
- دليل RCA الفني PT-60 الأساسيات والتطبيقات وقائمة بتصنيفات الاستجابة الطيفية EIA "S" في الصفحتين 21 و88
- الكيمياء الكهربائية
