Ашкинази Л.А. - Эмиссия, страница 6

Фотокатоды для работы в ультрафиолетовой части спектра

Большинство типов фотокатодов, применяемых для видимой части спектра, работоспособны и в ультрафиолетовой - энергия ультрафиолетового кванта больше, чем видимого. Диапазон же длин волн, воспринимаемых фотоприбором, ограничивается полосой пропускания входного окна (см. выше). Особую группу среди фотокатодов представляют солнечно-слепые фотокатоды, воспринимающие ультрафиолетовое излучение, но не чувствительные к излучению Солнца. Такие фотокатоды позволяют исследовать ультрафиолетовое излучение при наличии мощного фонового излучения Солнца. Конечно, в качестве солнечно-слепых фотокатодов можно было бы применять металлы, но они имеют малый квантовый выход, в частности - из-за высокого отражения.

Солнечно-слепой фотокатод для космических применений должен не воспринимать излучение длиннее 200 нм, для наземных - длиннее 350 нм (участок солнечного излучения короче 350 нм поглощается атмосферой). Применяются соответственно KBr (граница 150 нм), CsJ (граница 180 нм), Cs₂Te или Rb₂Te (граница 280 нм). Квантовый выход достигает 10 % и более в области 110-140 нм (KBr, CsJ) и 140-240 нм (Cs₂Te, Rb₂Te). Все эти катоды имеют большое сопротивление и при исполнении "на прострел" должны иметь тонкую проводящую подложку (Cr, W). Для области длин волн короче 100 нм, исследования в которой возможны только в вакууме (внутри откачиваемой установки или в космосе), применяются катоды из MgF₂ с границей чувствительности 140 нм и квантовым выходом более 40% при 55 нм. Технология катодов Cs₂Te и Rb₂Te - напыление тонкой пленки Te и обработка ее в парах Cs и Rb. Технология KBr, CsJ и MgF₂ - напыление. Имеются данные о неплохих параметрах CuJ в качестве фотоэмиттера. Положительным свойством CuJ является - в отличие от всех прочих эмиттеров этой группы - низкое сопротивление. Есть сведения о применении галоидных соединений Ag (серебра).

Фотокатоды для работы в видимой части спектра

В большинстве случаев для таких катодов используются соединения сурьмы со щелочными металлами - одним, двумя или тремя. Первым был предложен катод Cs₃Sb. Технология - напыление пленки Sb (сурьмы) толщиной 4,5-6 нм и затем нагрев ее в парах Cs (200-250№С), при этом толщина увеличивается до 26-35 нм. Иногда применяется последующее частичное окисление, уменьшающее работу выхода с ростом чувствительности и термоэлектронного тока. Максимальная чувствительность - около 120 мкА/лм, средняя - 40 мкА/лм. Термоэмиссия - около 10^-16 А/см². Сопротивление - около 3×10⁷ Ом на квадрат (все данные - для 20№С). Термостойкость катода - 100№С. Спектральная характеристика охватывает область от 350 до 550 нм (на уровне 0,5) или от 300 до 600 нм (на уровне 0,1), т.е. похожа на "кривую видности" глаза. Поэтому чувствительность этих катодов уместно характеризовать в А/лм. Квантовый выход в максимуме чувствительности (на 400 нм) - до 30 %. Показано, что чувствительность Cs₃Sb катода увеличивается при использовании в качестве подложки пленки MnO, причем роль MnO пока не вполне ясна. Исследовались однощелочные антимониды Li₃Sb, Na₃Sb, K₃Sb, Rb₃Sb, но они оказались имеющими худшие квантовый выход и красную границу фотоэффекта и применения не нашли.

Основную массу применяемых фотокатодов составляют двухщелочные (SbKNa, SbKCs, SbRbCs) и многощелочные (SbKNaCs) катоды. Технология - напыление пленки Sb (350-400 нм) и ее последующий нагрев в парах щелочных металлов. У таких катодов чувствительность примерно в два раза выше, чем у однощелочных, квантовый выход достигает 50%, длинноволновая граница - 740 нм. Чувствительность увеличивается, а длинноволновая граница сдвигается к 760 нм после некоторого окисления (его называют сенсибилизацией). Термоэмиссия мультищелочных фотокатодов - от 3×10^-19 А /см² у SbNa₂K до 10^-16 А/см² у SbRbCs и SbKNaCs, а сопротивление - от 3×10⁶ Ом на квадрат у SbNa₂K до 10¹⁰ Ом на квадрат у SbK₂Cs.

Для ряда применений (приборы ночного видения, лазерные исследования, оптическая связь) необходимы фотокатоды с чувствительностью в ближней инфракрасной области. За счет увеличения толщины мультищелочных катодов удается дотянуть их чувствительность до 800-900 нм (на уровне 35-30% от максимальной). Такие катоды в каталогах часто обозначаются ERMA: Extended Red Multi Alkali. Отметим, что в отличие от Cs₃Sb, чувствительность SbNa₂KCs катода при окислении ухудшается, и рост чувствительности при использовании подложки MnO не отмечен.

Ближе всего к кривой видности человеческого глаза лежит кривая чувствительности BiAgOCs-катода. Технология - напыление пленки Bi (висмута) около 5 нм, затем Ag 4 нм, затем окисление и обработка в парах Cs при примерно 150№С. Сформированный катод состоит в основном из BiCs₃, Ag и Cs₂O. Максимальный квантовый выход - около 10%, но благодаря равномерной (панхроматической) спектральной характеристике чувствительность достигает 120 мкА/лм. Термоэмиссия - около 10^-14 А/см².

Фотокатоды для работы в инфракрасной области спектра

Для приема сигналов с длиной волны более 1 мкм по сей день применяется самый старый фотокатод - AgOCs. Его спектральная характеристика имеет два максимума - при 800 нм и 350 нм (однако у некоторых образцов минимум между ними отсутствует). Квантовый выход мал - не более 7×10^-3, из-за широкой характеристики чувствительности (вдобавок длинноволновый максимум совпадает с максимумом излучения при 2600№С) чувствительность оказывается не очень малой - до 40 мкА/лм. Термоток катода велик - 10^-10 - 10^-13 А/см² (наилучшее значение - 10^-14 А/см²), сопротивление - 3×10⁷ Ом на квадрат. Технология: напыление тонкой пленки Ag (около 15 нм), окисление, второе напыление Ag, обработка в парах Cs при 150-200№С. Состав сформированного катода - в основном Ag и Cs₂O.

Фотокатоды с отрицательным электронным сродством

Основой этих катодов является либо кремний, либо полупроводники - соединения элементов III и V групп (соединения А^III-В^V). Большинство таких фотокатодов - сильнолегированные полупроводники p-типа, обработанные так, что уровень вакуума оказывается ниже дна зоны проводимости, т.е. электронное сродство оказывается отрицательным. При этом в вакуум могут выйти электроны, находящиеся в зоне проводимости (в объеме) без получения дополнительной энергии. Обработка поверхности осуществляется сорбцией на ней цезия и кислорода. На таких катодах на основе GaAs получена рекордная чувствительность - более 2000 мкА/лм при термоэмиссии - 10^-16 А /см² и квантовом выходе до 30%. Основным недостатком катодов является весьма высокий вакуум, необходимый для их работы.

Нетрадиционные фотокатоды

В некоторых случаях от фотокатодов требуется работа при очень высоком уровне токов - в сотни и тысячи А/см², который не может быть достигнут в обычных фотокатодах из-за высокого их сопротивления. Требование высокого тока возникает при использовании фотокатода не как приемника оптических сигналов, а в разного рода физических экспериментах, например, когда надо преобразовывать мощный лазерный импульс в электронный. В этих случаях в качестве фотокатода используют металлы. Однако у технологически удобных металлов (не ядовитых, не очень дорогих, легко обрабатываемых и относительно прочных) работы выхода довольно велики (> 3,7 эВ). Поэтому известен ряд попыток использования в качестве фотокатодов классических термокатодов, но при 20№С. Они имеют после активирования малую работу выхода. Применялись LaB₆-катод, WBa-катод и предлагалось применять оксидный катод (BaSrCa)O, хотя его сопротивление больше, чем у двух предыдущих.

Вторично-электронные эмиттеры в фотоприборах

Элементом большинства фотоприборов с фотокатодами являются вторично-электронные эмиттеры. Расчеты и эксперименты показывают, что значительно эффективнее усиление тока фотокатода расположенным в том же вакуумном объеме вторично-электронным умножителем, чем выведение этого тока из прибора и усиление его какой-либо усилительной схемой вне фотоприбора. Такие катоды имеют ряд особенностей. Во-первых, они должны быть совместимы в эксплуатации, т.е. фото- и вторичноэлектронный катод не должны вредно влиять друг на друга. Во-вторых, они должны быть совместимы технологически, т.е. технологические операции, производимые уже в приборе с одним катодом не должны портить другой. Например, нельзя активировать вторично-электронный катод при температуре, при которой разрушится имеющийся в том же приборе фотокатод - надо обеспечивать его защиту.

В качестве вторично-электронных катодов в фотоприборах используют чаще всего двухкомпонентные сплавы на основе Ag, Cu (меди), Al (алюминия) или Ti (титана) с добавкой единиц процентов Mg (магния) или Be (бериллия) или трехкомпонентные сплавы на той же основе с добавкой Mg и Sr (стронция) или Mg и Li (лития). Собственно эмиттером в этих сплавах является пленка или частицы оксидов Mg, Be, Sr, а Li и, возможно, Sr - монослоем, понижающим работу выхода. При обработке фотокатода парами щелочных металлов эмиссия этих вторично-электронных катодов, естественно, возрастает (образуются системы Cu-MgO-Cs и т.п.). Эффективными вторичными эмиттерами являются вообще все фотокатоды, а во многих приборах они и применяются в качестве вторичных эмиттеров, например, Cs₃Sb, K₂CsSb и др. Еще более эффективными вторичными эмиттерами являются эмиттеры с отрицательным электронным сродством, однако они могут иметь большую термоэмиссию.

ВТОРИЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Вторичная электронная эмиссия - это испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами. Электроны, бомбардирующие тело, называются первичными, испущенные - вторичными. Часть первичных электронов отражается телом без потери энергии (упруго отражённые первичные электроны), остальные - с потерями энергии (неупруго отражённые электроны). Если энергия и импульс получивших энергию электронов оказываются достаточными для преодоления потенциального барьера на поверхности тела, то электроны покидают поверхность тела (истинно вторичные электроны). В тонких плёнках вторичная электронная эмиссия наблюдается не только с той поверхности, которая подвергается бомбардировке (эмиссия на отражение), но и с противоположной поверхности (эмиссия на прострел). Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется "коэффициентом вторичной эмиссии" (КВЭ или s) - отношением тока вторичных электронов к току первичных, коэффициентом упругого и неупругого отражения электронов, а также коэффициентом эмиссии истинно вторичных электронов (отношения токов соответствующих электронов к току первичных). Все коэффициенты зависят как от энергии первичных электронов, так и от угла их падения, химического состава и рельефа поверхности образца. В металлах, где плотность электронов проводимости велика, образовавшиеся вторичные электроны имеют малую вероятность выйти наружу. В диэлектриках, где концентрация электронов проводимости мала, вероятность выхода вторичных электронов больше. Вероятность выхода электронов зависит от высоты потенциального барьера на поверхности.

В результате у ряда неметаллических веществ (окислы щёлочноземельных металлов, щёлочногалоидные соединения) s > 1, у специально изготовленных эффективных эмиттеров (см. ниже) s >> 1, у металлов же и полупроводников обычно s < 2. С увеличением энергии первичных электронов s сначала возрастает с ростом количества возбужденных электронов, а потом начинает убывать, поскольку существенная часть их рождается на большей глубине и число электронов, выходящих наружу, уменьшается, аналогично объясняется рост s с увеличением угла падения первичных электронов. Монокристаллы анизотропны по отношению к движению электронов, рассеяние, ионизация и дифракция зависят от направления движения. Поэтому для них зависимость s от угла падения первичных электронов становится сложной.

Создание в диэлектрике сильного электрического поля (10⁵-10⁶ в/см) приводит к увеличению s до 50-100 (вторичная эмиссия, усиленная полем). В этой ситуации s начинает зависеть от пористости слоя - наличие пор увеличивает эффективную поверхность эмиттера, а поле вытягивает из них вторичные электронов, которые, ударяясь о стенки пор, могут вызвать, в свою очередь, эмиссию с s > 1 и возникновение электронных лавин. Это может приводить к самоподдерживающейся холодной эмиссии, продолжающейся (при подводе заряда к эмиттеру) и после прекращения бомбардировки электронами.

Вторичная электронная эмиссия применяется во многих электровакуумных приборах для усиления электронных потоков, а в некоторых случаях она является вредным эффектом. Это динатронный эффект - вторичная эмиссия с анода и попадание этих вторичных электронов на сетки лампы. Далее, это появление электрического заряда на поверхности диэлектриков в электровакуумных приборах (при этом изменяется распределение полей в приборе и траектории электронов). Наконец, в высокочастотном электрическом поле при s > 1 на поверхностях электродов может происходить лавинообразное размножения электронов - вторично-электронный резонанс. Это явление существенно для работы некоторых приборов со скрещенными полями и фотоэлектронных умножителей, а также ограничивает предельную мощность импульсных СВЧ-приборов, в которых электромагнитная волна выводится из объема прибора в линию передачи через диэлектрическое "окно", на поверхности которого и возникают лавины.