光電陰極

光電陰極は、光電効果を利用して光 (光子) を電子に変換するように設計された表面です。光電陰極は加速器物理学において重要であり、高輝度電子ビームを生成するために光注入器で利用されます。光電陰極で生成された電子ビームは、自由電子レーザーや超高速電子回折によく使用されます。光電陰極は、光電子増倍管、光電管、イメージ増強管などの光検出装置の負に帯電した電極としても一般的に使用されます。

量子効率は、光電陰極の光に対する感度を測定する単位のない数値です。これは、放出された電子の数と入射光子の数の比率です。^[1] この特性は、光電陰極を照らすために使用される光の波長によって異なります。多くの用途では、光電陰極は光子を電気信号に変換するためだけに使用されるため、QE は最も重要な特性です。

量子効率は、光電流（ ）、レーザー出力（）、および光子エネルギー（）またはレーザー波長（）から次の式を使用して 計算できます。 ^{[1] [2]}${\displaystyle I}$${\displaystyle P_{\text{レーザー}}}$${\displaystyle E_{\text{光子}}}$${\displaystyle \lambda _{\text{レーザー}}}$

$${\displaystyle {\text{QE}}={\frac {N_{\text{電子}}}{N_{\text{光子}}}}={\frac {I\cdot E_{\text{光子}}}{P_{\text{レーザー}}\cdot e}}\approx {\frac {{\overset {[{\text{アンペア}}]}{I}}\cdot 1240}{{\underset {[{\text{ワット}}]}{P_{\text{レーザー}}}}\cdot {\underset {[{\text{nm}}]}{\lambda _{\text{レーザー}}}}}}}}$$

いくつかの用途では、放出された電子の初期の運動量分布が重要であり、平均横方向エネルギー（MTE）と熱放射率がその一般的な指標です。MTEは、光電陰極の表面に沿った方向の横方向運動量の分散であり、最も一般的にはミリ電子ボルトの単位で報告されます。^[3]

$${\displaystyle {\text{MTE}}={\frac {\langle p_{\perp }^{2}\rangle }{2m_{e}}}}$$

高輝度光インジェクターでは、MTEはビームの初期エミッタンス（位相空間内で電子が占める領域）を決定するのに役立ちます。^[4] エミッタンス（ ）は、MTEと光電陰極上のレーザースポットサイズ（ ）から次の式を使用して 計算できます。${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle \sigma_{x}}$

$${\displaystyle \varepsilon =\sigma _{x}{\sqrt {\frac {\text{MTE}}{m_{e}c^{2}}}}}$$

ここで、電子の静止質量です。一般的に使用される単位では、次のようになります。 ${\displaystyle m_{e}c^{2}}$

$${\displaystyle {\overset {[\mu {\text{m}}]}{\varepsilon }}\approx {\overset {[\mu {\text{m}}]}{\sigma _{x}}}{\sqrt {\frac {\overset {[{\text{meV}}]}{\text{MTE}}}{511\times 10^{6}}}}}$$

横方向放射率はMTEに比例するため、熱放射率と呼ばれる新しい量で式を書くと便利な場合があります。^[5] 熱放射率は次の式を使用してMTEから導き出されます。

$${\displaystyle \varepsilon _{\text{th}}={\sqrt {\frac {\text{MTE}}{m_{e}c^{2}}}}}$$

ほとんどの場合、レーザースポットが拡大するにつれて（mm 単位で測定）、放射率が um 単位でどのように増加するかを表すために、um/mm の比率で表されます。

MTE の同等の定義は、真空中で放出される電子の温度です。^[6]多結晶金属などの一般的に使用される光電陰極から放出される電子の MTE は、電子に提供される過剰エネルギー (入射光子のエネルギーと光電陰極の仕事関数の差) によって制限されます。MTE を制限するために、光電陰極は、過剰エネルギーがゼロになる光電子放出閾値付近で操作されることがよくあります。この制限では、光電子放出の大部分はフェルミ分布の裾から発生します。したがって、MTE は熱的に に制限されます。ここで、はボルツマン定数、 は固体内の電子の温度です。^[7]${\displaystyle k_{B}T}$${\displaystyle k_{B}}$${\displaystyle T}$

光電子放出過程における横方向の運動量とエネルギーの保存則により、原子配列されたクリーンな単結晶光電陰極のMTEは材料のバンド構造によって決まります。MTEが低い理想的なバンド構造は、大きな横方向の運動量状態からの光電子放出を許さないものです。^[8]

加速器物理学以外では、MTEと熱放射率は、光電陰極を使用する近接焦点撮像装置の解像度に重要な役割を果たします。^[9] これは、イメージ増強管、波長変換器、および現在は廃止されたイメージ管などのアプリケーションにとって重要です。

多くの光電陰極は、機能するために優れた真空状態を必要とし、汚染物質にさらされると「毒化」します。さらに、高電流アプリケーションで光電陰極を使用すると、イオンの逆衝撃にさらされて化合物が徐々に損傷します。これらの影響は、光電陰極の寿命によって定量化されます。陰極の寿命は、時間または放出された電荷の関数として減衰する指数としてモデル化されます。寿命は指数の時間定数です。^{[10] [11]}

長年、光電陰極は光を電子流に変換する唯一の実用的な方法でした。そのため、光電陰極は「電気フィルム」のような機能を持ち、写真と多くの特性を共有していました。そのため、光電陰極は、オルシコンやビジコンなどのテレビカメラ管や、増倍管、コンバータ、ディセクターなどのイメージ管などの光電子デバイスの重要な要素でした。単純な光電陰極は、モーション検出器やカウンターに使用されていました。

光電管は長年、映画フィルムの端にあるサウンドトラックを読み取るために映画映写機で使用されてきた。 ^[12]

フォトダイオードなどの固体光学デバイスの最近の開発により、フォトカソードの使用は減少しましたが、それでも依然として半導体デバイスよりも優れているケースが残っています。

光電陰極は真空中で作動するため、その設計は真空管技術に似ています。ほとんどの陰極は空気に敏感なので、光電陰極の製造は通常、筐体を真空にした後に行われます。作動中、光電陰極は電子放出を確実にするために近くの正極との電界を必要とします。分子線エピタキシーは、今日の光電陰極の製造に広く適用されています。格子パラメータが一致する基板を使用することで、結晶光電陰極を製造でき、格子のブリルアンゾーンの同じ位置から電子ビームを放出して高輝度の電子ビーム を得ることができます。

光電陰極は、透過型と反射型の 2 つのグループに大別されます。透過型は、通常ガラス窓にコーティングが施され、光が一方の面に当たり、電子が反対側の面から出ます。反射型は、通常不透明な金属電極ベースに形成され、光が入射し、電子が同じ側から出ます。そのバリエーションとして二重反射型があり、金属ベースが鏡のようになっているため、放出せずに光電陰極を通過した光が 2 度目に跳ね返ります。これは、多くの哺乳類の 網膜を模倣しています。

光電陰極の有効性は、一般的に量子効率、つまり放出された電子と入射する量子（光）の比率として表されます。効率は構造によっても異なり、電界を強くすると改善されます。

光電陰極の表面は、走査トンネル顕微鏡 (STM)やX 線光電子分光法などのさまざまな表面感度技術によって特性評価できます。

単純な金属陰極でも光電特性は発揮されますが、特殊なコーティングを施すと効果が大幅に高まります。光電陰極は通常、仕事関数が非常に低いアルカリ金属で構成されます。

コーティングは、下にある金属よりもはるかに容易に電子を放出するため、赤外線の低エネルギー光子を検出できます。レンズは、観察対象物からの放射線をコーティングされたガラス層に伝達します。光子は金属表面に当たり、電子をその裏側に転送します。解放された電子は収集され、最終的な画像が生成されます。

• Ag-O-Cs はS-1とも呼ばれます。これは 1929 年に開発された最初の複合光電陰極材料です。感度は 300 nm から 1200 nm です。Ag-O-Cs は最新の材料よりも暗電流が高いため、この光電陰極材料を使用した光電子増倍管は、現在では冷却機能付きの赤外線領域でのみ使用されています。
• Sb-Cs (アンチモン-セシウム) は、紫外線から可視光線までのスペクトル応答を持ち、主に反射モード光電陰極に使用されます。
• バイアルカリ（アンチモン-ルビジウム-セシウムSb-Rb-Cs、アンチモン-カリウム-セシウムSb-K-Cs）。スペクトル応答範囲は Sb-Cs 光電陰極に似ていますが、Sb-Cs よりも感度が高く、暗電流が低くなっています。感度は最も一般的なシンチレータ材料とよく一致するため、シンチレーション カウンタでの電離放射線 測定によく使用されます。
• 高温バイアルカリまたは低ノイズバイアルカリ (ナトリウム-カリウム-アンチモン、Na-K-Sb)。この材料は、 175 °C までの温度に耐えられるため、油井のロギングでよく使用されます。室温では、この光電陰極は非常に低い暗電流で動作するため、光子計数アプリケーションに最適です。
• マルチアルカリ（ナトリウム-カリウム-アンチモン-セシウム、Na-K-Sb-Cs）、S-20とも呼ばれます。マルチアルカリ光電陰極は、紫外線から近赤外線領域までの広いスペクトル応答を持ちます。広帯域分光光度計や光子計数アプリケーションに広く使用されています。長波長応答は、特殊な光電陰極活性化処理によって 930 nm まで拡張できます。応答が拡張されているため、 S-25と呼ばれることもあります。
• GaAs（ガリウム（II）ヒ素）。この光電陰極材料は、紫外線から930 nmまで、マルチアルカリよりも広いスペクトル応答範囲をカバーします。GaAs光電陰極は、偏極電子が必要な加速器施設でも使用されます。 ^[13] GaAs光電陰極の重要な特性の1つは、表面へのCs堆積により負の電子親和力を実現できることです。^[14]しかし、GaAsは非常に繊細であり、いくつかの損傷メカニズムにより量子効率（QE）が失われます。イオンバックボンバードメントは、GaAs陰極QE低下の主な原因の1つです。^[15]
• InGaAs (インジウムガリウムヒ素)。GaAs と比較して、赤外線範囲での感度が拡張されています。さらに、900 nm から 1000 nm の範囲では、InGaAs は Ag-O-Cs よりもはるかに優れた信号対雑音比を備えています。特殊な製造技術により、この光電陰極は最大 1700 nm まで動作できます。
• Cs-Te、Cs-I（テルル化セシウム、ヨウ化セシウム）。これらの材料は真空紫外線と紫外線には敏感ですが、可視光線には敏感ではないため、ソーラーブラインドと呼ばれます。Cs-Te は 320 nm を超える波長には鈍感で、Cs-I は 200 nm を超える波長には鈍感です。

• 浜松ホトニクスの光電子増倍管の基礎と応用
• RCA 技術マニュアル PT-60 の基礎と応用、および 21 ページと 88 ページの EIA "S" スペクトル応答指定のリスト