Рис. 12.4. Ход лучей в коническом элементе рельефной подложки фотокатода

ному, а процессы взаимодействия фотонов с электронами переносятся ближе к эмиттирующей поверхности.

Эффективньш способом повышения чувствительности полупрозрачных фотокатодов является использование явления полного внутреннего отражения потока излучения от границ раздела фотокатод- вакуум и стекло-воздух. Узкий параллельный пучок света вводится через призму, оптически согласованную с материалом стекла, под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения (рис. 12.3). На границе фотокатод-вакуум луч полностью отражается и про)одит второй раз через слой фотокатода. Условия полного внутреннего отражения должны обеспечиваться также на границе стекло-воздух, тогда луч будет многократно отражаться в слое фотокатода до полного поглощения. Фоточувствительный слой в этом случае может быть очень тонким, вследствие чего вероятность вьгхода .возбужденных электронов резко увеличится. Чувствительность фотокатода будет приближаться к теоретическбму пределу, зависящему от материала фотокатода.

Если фотоэлектронный прибор предназначен для работы с широким пучком света и применение наружных оптических систем не предусмотрено, то для пол5П1ения полного внутреннего отражения используется рельефная подложка фотокатода. На рис. 12.4 показан ход лучей в одном элементе рельефной подложки. Применение рельефной подложки дает меньший эффект по сравнению с плоским фотокатодом и наружной призмой. Это объясняется частичным поглощением потока излучения фотокатодом, так как полное внутреннее отражение происходит только на границе фотокатод-вакуум. Небольшое повьпнение чувствительности может быть получено даже в том случае, если внутреннюю поверхность стекла, на которую наносится фотоэмиссионный слой, подвергнуть механическому матированию (насечке мелкого рельефа).

12.3. СОВРЕМЕННЫЕ ФОТОКАТОДЫ

Вид спектральной характеристики фотокатодов определяется материалом и толщиной фоточувствительного слоя, а также материалом подложки и оптического окна. Стекло баллона, являющееся оптическим окном, у ряда фотокатодов служит подложкой фоточувствительного материала. По спектральным характеристикам фотокатоды подразделяются на три типа: фотокатоды, применяемые в приборах для измерений в видимой, ближней ИК- и УФ-областях оптического диапазона спектра. Характеристики некоторых фотокатодов охватывают

широкий спектральный диапазон от УФюбласти до ближней ИКюбла-стй, однако по ряду причин их применение, как правило, ограничивается более узкой областью спектра.

Сурьмяно-цезиевый (Sb-Cs) фотокатод является наиболее распространенным для приборов, работающих в видимой области спектра. Фотокатод может быть вьшолнен как массивным, так и полупрозрачным. В качестве материала фоточувсгвительного слоя используется соединение сурьмы с цезием CssSb, на поверхности которого адсорбирована пленка цезия, снижающая работу выхода фотоэлектронов.

Массивные Sb-Cs-фотокатоды изготовляются напылением сурьмы путем термического испарения в вакууме на металлическую подложку, затем сурьма обрабатьшается в парах цезия. При изготовлении полупрозрачных фотокатодов пленка напыленного на стеклянную подложку слоя сурьмы имеет толщину 5-6 нм. После обработки в парах цезия пленка сурьмы разбухает до толщины 25-35 нм и имеет прозрачность 35-50%. В целях увеличения электропроводности фоточувствительного слоя на стеклянную подложку предварительно напыляют в вакууме пленку хрома или двуокиси олова. Увеличения чувствительности Sb-Cs-фотокатода в 1,5-2 раза можно достигнуть путем обработки поверхности фоточувствительного слоя кислородом. Эта операция, назьшаемая сенсибилизацией фотокатода, приводит также к снижению фотоэлектронной работы выхода.

На рис. 12.5 приведены спектральные характеристики обычного (кривая*7) и сенсибилизированного (кривая 2) Sb-Cs-фотокатодов. Из рисунка видно, что сенсибилизация сдвигает спектральную характеристику в длинноволновую область. В серийных фотоэлектронных приборах световая чувствительность массивных Sb-Cs-фотокатодов достигает 120 мкА/лм, полупрозрачных - примерно 100 мкА/лм. Плотность тока термоэлектронной эмиссии несенсибилизированных фотокатодов при комнатной темрературе составляет 10-10" А/см, сенсибилизированных - 10" А/см, квантовый выход достигает 0,25-0,3. Одним из серьезных недостатков Sb-Cs-фотокатода является утомление при увеличении тока, снимаемого с фотокатода. Заметное ухудшение чувствительности наступает при плотностях тока, превышающих 1 мкА/см.

Многощелочной фотокатод образуется при соединении сурьмы с атомами трех щелочных металлов: калия, натрия и цезия - Naa KSb (Cs). Этот фотокатод по сравнению с Sb-Cs-фотокатодом обладает более высокой световой чувствительностью и квантовым выходом в видимой области спектра. Световая чувствительность многощелочных фотокатодов достигает 400 мкА/лм, а квантовый выход в максимуме спектральной характеристики может быть равен 0,4.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии при комнатной температуре не превышает 10" А/см. Полупрозрачные многощелочные фотокатоды имеют меньшее продольное сопротивление, чем сопро-

81Л) 0,8

0,6 О,"

SfX), УГЛ.) 0,8

300 WD 500

Л, нм

300 WO 500 600 Рис. 12.5. Спектральные характеристики сурьмяноч1езиевых фотокатодов

Рис. 12.6. Спектральные характеристики висмуто-серебряно-цезиевого фотокатода и относительной видности

тивление сурьмяно-цезиевых фотокатодов, поэтому при их изготовлении нет необходимости в проводящей подложке. Утомление многощелочных фотокатодов наступает при плотностях тока, превышающих несколько миллиампер на сантиметр квадратный, т. е. более чем на три порядка превышающих, предельные токи Sb-Cs-фотокатодов.

По всем параметрам многощелочные фотокатоды превосходят сурь-мяно-цезиевые, однако технология их изготовления значительно сложнее. Она допускает широкое варьирование последовательности введения щелочных металлов и режимов обработки. Изготовление фотокатода происходит путем обработки тонкого слоя сурьмы последовательно парами калия и натрия, затем полученное двухщелочное соединение обрабатьшается в парах цезия до получения на поверхности моноатомной пленки.

На рис. 11.3 (кривая 7) была приведена спектральная характеристика одного из многощелочных катодов. Длинноволновый порог фотоэффекта фотокатода находится в ближней ИК области спектра Xq =900 нм.

Висмуто-серебряно-цезиевый (Bi-Ag-0-Cs) фотокатод имеет спектральную характеристику, близкую к кривой видности глаза (рис. 12.6), поэтому он нашел широкое распространение в фотоэлектронных приборах телевизионной техники и для колориметрических измерений. Процесс изготовления полупрозрачного Вг-А£-0-С8-фо-токатода состоит в последовательном напьшении на стекло тонких (толщиной 4-5 нм) пленок висмута и серебра с последующим окислением серебра кислородом и окончательной обработкой в парах цезия.

Световая чувствительность этих фотокатодов такая же, как у сурьмяно-цезиевых (до 100-120 мкА/лм), квантовый выход не превьпиает 0,1, плотность тока термоэлектронной эмиссии при комнатной температуре составляет 10"* А/см.

- Двухщелочные фотокатоды Na2 KSb и Кг CsSb образуются при взаимодействии сурьмы с двумя щелочными металлами. Световая чувстви-