Photocathode

Une photocathode est une surface conçue pour convertir la lumière ( photons ) en électrons en utilisant l' effet photoélectrique . Les photocathodes sont importantes en physique des accélérateurs où elles sont utilisées dans un photoinjecteur pour générer des faisceaux d'électrons à haute luminosité . Les faisceaux d'électrons générés avec des photocathodes sont couramment utilisés pour les lasers à électrons libres et pour la diffraction électronique ultrarapide . Les photocathodes sont également couramment utilisées comme électrode chargée négativement dans un dispositif de détection de lumière tel qu'un photomultiplicateur , un phototube et un intensificateur d'image .

L'efficacité quantique est un nombre sans unité qui mesure la sensibilité de la photocathode à la lumière. Il s'agit du rapport entre le nombre d'électrons émis et le nombre de photons incidents. Cette propriété dépend de la longueur d'onde de la lumière utilisée pour éclairer la photocathode. Pour de nombreuses applications, l'efficacité quantique est la propriété la plus importante car les photocathodes sont utilisées uniquement pour convertir les photons en un signal électrique.

L'efficacité quantique peut être calculée à partir du photocourant ( ), de la puissance laser ( ) et soit de l'énergie des photons ( ) soit de la longueur d'onde du laser ( ) à l'aide de l'équation suivante.

Pour certaines applications, la distribution de l'impulsion initiale des électrons émis est importante et l' énergie transversale moyenne (MTE) et l'émittance thermique sont des mesures courantes à cet effet. La MTE est la variance de l'impulsion transversale dans une direction le long de la surface de la photocathode et est le plus souvent exprimée en unités de milliélectronvolts.

Dans les photoinjecteurs à haute luminosité, le MTE permet de déterminer l' émittance initiale du faisceau, qui est la zone dans l'espace de phase occupée par les électrons. L'émittance ( ) peut être calculée à partir du MTE et de la taille du spot laser sur la photocathode ( ) à l'aide de l'équation suivante.

où est la masse au repos d'un électron. Dans les unités couramment utilisées, cela se présente comme suit.

En raison de la mise à l'échelle de l'émittance transversale avec l'ETM, il est parfois utile d'écrire l'équation en termes d'une nouvelle quantité appelée émittance thermique. L'émittance thermique est dérivée de l'ETM à l'aide de l'équation suivante.

On l'exprime le plus souvent dans le rapport um/mm pour exprimer la croissance de l'émittance en unités d'um à mesure que le spot laser grandit (mesuré en unités de mm).

Une définition équivalente de l'ETM est la température des électrons émis dans le vide. L'ETM des électrons émis par les photocathodes couramment utilisées, telles que les métaux polycristallins, est limitée par l'excès d'énergie (la différence entre l'énergie des photons incidents et la fonction de travail de la photocathode) fourni aux électrons. Pour limiter l'ETM, les photocathodes fonctionnent souvent près du seuil de photoémission, où l'excès d'énergie tend vers zéro. Dans cette limite, la majorité de la photoémission provient de la queue de la distribution de Fermi. Par conséquent, l'ETM est thermiquement limitée à , où est la constante de Boltzmann et est la température des électrons dans le solide.

En raison de la conservation de l'impulsion transversale et de l'énergie dans le processus de photoémission, l'EMT d'une photocathode monocristalline propre et ordonnée atomiquement est déterminée par la structure de bande du matériau. Une structure de bande idéale pour les EMT faibles est celle qui ne permet pas la photoémission à partir d'états d'impulsion transversale importants.

En dehors de la physique des accélérateurs, l'émittance thermique et l'émittance MTE jouent un rôle dans la résolution des dispositifs d'imagerie focalisée sur la proximité qui utilisent des photocathodes. Ceci est important pour des applications telles que les intensificateurs d'image, les convertisseurs de longueur d'onde et les tubes d'image désormais obsolètes.

De nombreuses photocathodes nécessitent d'excellentes conditions de vide pour fonctionner et deviennent « empoisonnées » lorsqu'elles sont exposées à des contaminants. De plus, l'utilisation des photocathodes dans des applications à courant élevé endommagera lentement les composés lorsqu'ils sont exposés au bombardement ionique. Ces effets sont quantifiés par la durée de vie de la photocathode. La mort de la cathode est modélisée comme une exponentielle décroissante en fonction du temps ou de la charge émise. La durée de vie est alors la constante de temps de l'exponentielle.

Pendant de nombreuses années, la photocathode a été la seule méthode pratique pour convertir la lumière en un courant d'électrons. En tant que telle, elle a tendance à fonctionner comme une forme de « film électrique » et partage de nombreuses caractéristiques avec la photographie. Elle était donc l'élément clé des dispositifs optoélectroniques, tels que les tubes de caméra de télévision comme l'orthicon et le vidicon, et dans les tubes d'image tels que les intensificateurs , les convertisseurs et les dissecteurs . Des phototubes simples étaient utilisés pour les détecteurs et les compteurs de mouvement.

Les phototubes sont utilisés depuis des années dans les projecteurs de cinéma pour lire les bandes sonores sur le bord des films.

Le développement plus récent des dispositifs optiques à semi-conducteurs tels que les photodiodes a réduit l’utilisation des photocathodes à des cas où elles restent supérieures aux dispositifs à semi-conducteurs.

Les photocathodes fonctionnent sous vide, leur conception est donc similaire à celle des tubes à vide . La plupart des cathodes étant sensibles à l'air, la construction des photocathodes intervient généralement après que l'enceinte a été mise sous vide. En fonctionnement, la photocathode nécessite un champ électrique avec une anode positive à proximité pour assurer l'émission d'électrons. L'épitaxie par jets moléculaires est largement utilisée dans la fabrication actuelle de photocathodes. En utilisant un substrat avec des paramètres de réseau adaptés, des photocathodes cristallines peuvent être fabriquées et des faisceaux d'électrons peuvent sortir de la même position dans la zone de Brillouin du réseau pour obtenir des faisceaux d'électrons à haute luminosité .

Les photocathodes se divisent en deux grands groupes : à transmission et à réflexion. Un type à transmission est généralement un revêtement sur une fenêtre en verre dans lequel la lumière frappe une surface et les électrons sortent de la surface opposée. Un type réfléchissant est généralement formé sur une base d'électrode métallique opaque, où la lumière entre et les électrons sortent du même côté. Une variante est le type à double réflexion, où la base métallique est semblable à un miroir, ce qui fait que la lumière qui a traversé la photocathode sans provoquer d'émission est renvoyée pour une deuxième tentative. Cela imite la rétine de nombreux mammifères.

L'efficacité d'une photocathode est généralement exprimée sous forme d'efficacité quantique, c'est-à-dire le rapport entre les électrons émis et les quanta (de lumière) qui l'impactent. L'efficacité varie également en fonction de la construction, car elle peut être améliorée avec un champ électrique plus fort.

La surface des photocathodes peut être caractérisée par diverses techniques sensibles à la surface comme la microscopie à effet tunnel (STM) et la spectroscopie de photoélectrons à rayons X.

Bien qu'une cathode métallique ordinaire présente des propriétés photoélectriques, le revêtement spécialisé augmente considérablement l'effet. Une photocathode est généralement constituée de métaux alcalins avec des fonctions de travail très faibles .

Le revêtement libère des électrons beaucoup plus facilement que le métal sous-jacent, ce qui lui permet de détecter les photons de faible énergie du rayonnement infrarouge. La lentille transmet le rayonnement de l'objet observé à une couche de verre revêtue. Les photons frappent la surface métallique et transfèrent des électrons vers sa face arrière. Les électrons libérés sont ensuite collectés pour produire l'image finale.

• Ag-O-Cs, également appelé S-1 . Il s'agit du premier matériau photocathode composé, développé en 1929. Sensibilité de 300 nm à 1200 nm. Comme l'Ag-O-Cs présente un courant d'obscurité plus élevé que les matériaux plus modernes, les tubes photomultiplicateurs avec ce matériau photocathode ne sont aujourd'hui utilisés que dans la région infrarouge avec refroidissement.
• Le Sb-Cs ( antimoine - césium ) a une réponse spectrale allant de l'UV au visible et est principalement utilisé dans les photocathodes en mode réflexion.
• Bialcali ( antimoine - rubidium - césium Sb-Rb-Cs, antimoine - potassium - césium Sb-K-Cs). Plage de réponse spectrale similaire à celle de la photocathode Sb-Cs, mais avec une sensibilité plus élevée et un courant d'obscurité plus faible que Sb-Cs. Leur sensibilité est bien adaptée aux matériaux scintillateurs les plus courants et ils sont donc fréquemment utilisés pour la mesure des rayonnements ionisants dans les compteurs à scintillation .
• Bialcalin haute température ou bialcalin à faible bruit ( sodium - potassium - antimoine , Na-K-Sb). Ce matériau est souvent utilisé dans la diagraphie des puits de pétrole car il peut résister à des températures allant jusqu'à 175 °C. À température ambiante, cette photocathode fonctionne avec un très faible courant d'obscurité, ce qui la rend idéale pour une utilisation dans les applications de comptage de photons .
• Photocathode multialcaline ( sodium - potassium - antimoine - césium , Na-K-Sb-Cs), également appelée S-20 . La photocathode multialcaline a une large réponse spectrale de l'ultraviolet au proche infrarouge. Elle est largement utilisée pour les spectrophotomètres à large bande et les applications de comptage de photons . La réponse à longue longueur d'onde peut être étendue à 930 nm par un traitement d'activation de photocathode spécial. Avec la réponse élargie, on l'appelle parfois S-25 .
• GaAs ( arséniure de gallium(II) . Ce matériau de photocathode couvre une plage de réponse spectrale plus large que le multialcali, de l'ultraviolet à 930 nm. Les photocathodes GaAs sont également utilisées dans les installations d'accélérateurs où des électrons polarisés sont nécessaires. L'une des propriétés importantes de la photocathode GaAs est qu'elle peut atteindre une affinité électronique négative en raison du dépôt de Cs sur la surface. Cependant, le GaAs est très délicat et perd son efficacité quantique (QE) en raison de plusieurs mécanismes d'endommagement. Le bombardement ionique est l'une des principales causes de la désintégration QE de la cathode GaAs.
• InGaAs ( arséniure d'indium et de gallium ). Sensibilité étendue dans la gamme infrarouge par rapport au GaAs. De plus, dans la gamme comprise entre 900 nm et 1000 nm, l'InGaAs présente un rapport signal/bruit bien meilleur que l'Ag-O-Cs. Grâce à des techniques de fabrication spéciales, cette photocathode peut fonctionner jusqu'à 1700 nm.
• Cs-Te, Cs-I ( tellurure de césium , iodure de césium ). Ces matériaux sont sensibles aux rayons UV et UV du vide mais pas à la lumière visible et sont donc qualifiés de aveugles solaires. Le Cs-Te est insensible aux longueurs d'onde supérieures à 320 nm et le Cs-I à celles supérieures à 200 nm.