Фотокатод

Полезная модель относится к области электровакуумной электронной техники, а именно к фотокатодам, которые могут быть использованы в фотоэлектронных приборах для регистрации слабых сигналов, фотоэлементах, фотоэлектронных умножителях, а также электронно-оптического преобразования сигналов, применяющихся в оптике, ядерной физике, автоматике, медицине, телевизионной технике и в других областях.
Фотокатод является входным узлом фотоэлектронного прибора, который принимает и преобразует оптическую информацию в электрический сигнал в виде пространственно модулированного электронного потока, который на последующих элементах фотоэлектронного прибора подвергается усилению и другому преобразованию с целью получения на его выходе оптического или электрического сигнала необходимого качества.
Важнейшей характеристикой фотокатода является его чувствительность, которая характеризует эффективность преобразования квантов света в электронный поток. Чем больше электронов на каждый поглощенный фотокатодом квант падающего света эмитируется из фотокатода, тем выше качество фотокатода.
2
Фотокатод является линейным преобразователем света в электронный поток в том смысле, что величина электронного тока на выходе фотокатода прямо пропорциональна величине светового потока, падающего на фотокатод. Кроме того, возможно появление многофотонных процессов при высоких интенсивностях падающего излучения, более 1 Вт/см. При большей интенсивности излучения возможно одновременное поглощение электроном двух и более фотонов. Фототок при двухфотонном внешнем фотоэффекте пропорционален квадрату интенсивности света (4-й степени амплитуды электрического поля световой волны) [Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. Б.А. Введенский, М.: Советская эциклопедия, 1966, т. 5, с. 576, с. 363-365].
Достижение высокой фотоэмиссионной чувствительности - основная задача технологии фотокатода.
Наибольшее распространение получили полупрозрачные тонкопленочные фотокатоды, работающие в режиме на «просвет». Эти фотокатоды изготавливаются либо на гладких, либо на рельефных внутренних поверхностях входных окон фотоэлектронных приборов [Н.А. Соболева, А.Е. Меламид. Фотоэлектронные приборы. М.: Высшая школа, 1978, с. 93 110].
Известен фотокатод [патент РФ № 1579322] содержащий многослойную полупроводниковую структуру с р-n-переходом, со слабо легированным эмиттирующим р-слоем. Недостатком указанного фотокатода является недостаточно высокий квантовый выход фотоэлектронов.
Известен фотокатод [Патент США № 5371435] в котором с целью увеличения чувствительности тонкопленочный фотокатод изготавливается на прозрачной подложке с рельефной поверхностью. Рельеф выполнен в виде системы чередующихся «выпуклостей» и «впадин». Достигаемый в такой конструкции фотокатода полезный эффект выражается в повышенной интегральной чувствительности такого фотокатода, то есть увеличение общей площади эмитирующей поверхности при фиксированной величине площади подложки.
Недостатками фотокатодов является их невысокая чувствительность.
H01J1/34
-2
В качестве прототипа выбран фотокатод [Патент РФ 2216815, МПК ], совпадающий с заявляемым техническим решением по большинству существенных признаков, включающий фотоэмиссионный, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянной колбы, при этом в указанный слой внедрены гомогенно распределенные по его поверхности наночастицы металла с линейными размерами менее длины волны используемого излучения, что концентрация указанных наночастиц в указанном слое составляет (1-5) 10 объемных долей.
Недостатком указанного фотокатода также является недостаточно высокая его чувствительность, обусловленная паразитным поверхностным окислением металлических частиц, которое изменяет оптические свойства наночастиц металлов, а также большие омические потери в металле.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка фотокатода, имеющего высокую чувствительность.
Поставленная задача решается тем, что фотокатод, состоящий из прозрачнойдля оптического излучения диэлектрической или полупроводниковой подложки и тонкого фотоэмиссионного слоя, покрывающего внутреннюю поверхность подложки согласно полезной модели на внутренней поверхности подложки перед фотоэмиссионным слоем расположен прозрачныйдля оптического излучения монослой мезоразмерных частиц и с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, формирующие на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.
Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978]. Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439].
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett., 89, 221118 (2006)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3 … 1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.
При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например, в форме сферы, усеченной сферы, куба, пирамиды, конуса, цилиндра, диска и т.д. при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [I.V.Minin and O.V.Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].
В результате проведенных исследований было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы произвольной формы, например в форме куба или сферы, с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, при ее облучении электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, при этом эффект формирования локальной области повышенной интенсивности излучения непосредственно на границе частицы сохраняется в широком диапазоне углом падения излучения.
При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1,2 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка и более дифракционного предела и не обеспечивает значительного повышения интенсивности электромагнитного поля на ее границе. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы более 1,7 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы и не может быть использовано для повышения чувствительности фотокатода.
.
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что при облучении диэлектрических частичек с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала не менее 1,7, происходит формирование внутри частицы области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4. При этом диэлектрические частицы могут иметь различную форму поверхности: куб, шар, усеченный шар, цилиндр, диск, пирамида, усеченная пирамида и т.д. [И.В.Минин, О.В.МининФотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С.4-10; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V.Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V.105, 084102 (2014)].
Для мезоразмерной частицы с характерным размером порядка длины волны излучения интенсивность света непосредственно на границе частицы превосходит падающую интенсивность примерно в 7-8 раз, для частицы с характерными размерами порядка двух длин волн - примерно в 20 раз. Для частиц большего размера величина этого отношения увеличивается еще сильнее.
На основе мезоразмерных диэлектрических частичек, формирующих области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 возможно разработать фотокатод с высоким квантовым выходом фотоэлектронов.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 схематически приведен в разрезе один вариант реализации заявляемого фотокатода;
на фиг. 2 приведен пример формирования мезоразмерной частицей в виде сферы (а), куба (б), правильного шестиугольника (в-г) и треугольника (д-е) с характерными размерами равными λ области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 на их границе поверхности.
Обозначения: 1 - падающее оптическое излучение, 2 - диэлектрическая или полупроводниковая подложка прозрачная для падающего излучения, 3 - монослой мезоразмерных прозрачных для оптического излучения частиц, 4 - область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4, 5 - тонкий фотоэмиссионный слой.
Рассмотрим работу заявляемого фотокатода, включающего прозрачную для оптического излучения диэлектрическую или полупроводниковую подложку 2, монослой мезоразмерных прозрачных для оптического излучения частиц 3, тонкий фотоэмиссионный слой 5, нанесенный на границу поверхности частиц 3, не контактирующую с подложкой 2.
Падающее оптическое излучение 1 освещает подложку 2 и попадает на монослой мезоразмерных частиц 3. В результате интерференции и дифракции падающего излучения на частице, непосредственно на ее границе формируется локальная область повышенной интенсивности излучения 4 и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.
Возбуждение фотоэлектронной эмиссии производят светом со стороны монослоя мезоразмерных частиц 3, на которые нанесен тонкий фотоэмиссионный слой 5 в областях с повышенной интенсивностью излучения 4.
Повышение интенсивности оптического излучения в фотоэмиссионном слое приводит к увеличению электронного потока. Кроме того, возможно появление многофотонных процессов, что еще больше увеличивает чувствительность фотокатода. Кроме того, увеличивается поверхность тонкого фотоэмиссионного слоя фотокатода, нанесенного на слой мезочастиц.
2
В качестве материала мезоразмерных частиц могут использоваться различные материалы, например, SiO с коэффициентом преломления 1,538 на длине волны 0,7 мкм, полиэстер, с коэффициентом преломления 1,59 на длине волны 0,532 мкм, различные виды стекол, ситаллы, кварц, полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонаты [Справочник конструктора оптико-механ. приборов/Под ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, 1980.] с относительными коэффициентами преломления материала лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7.
Изготовление мезоразмерных частиц возможно, например, методами фотолитографии [патент РФ № 2350996], 3D принтера и т.д.
Нанесение тонкого фотоэмиссионного слоя на монослой мезоразмерных частиц возможно одним из известных способов, например приведенных в [патент РФ № 1816329, 2248066, Брендель В. М, Букин В.В., Гарнов С.В., Багдасаров В.Х., Денисов Н.Н., Гаранин С.Г., Терехин В.А., Трутнев Ю.А. Метод лазерного напыления УФ фотокатодов на основе галогенидов щелочных металлов // Кватновая электроника, 2012, т. 42, № 12, с. 1128-1132].
Достигаемый в такой конструкции фотокатода полезный эффект выражается в повышенной чувствительности такого фотокатода.