RS55724B1 - Poluprovidna fotokatoda sa poboljšanim stepenom apsorpcije - Google Patents

Description

Opis pronalaska

OBLAST TEHNIKE

[0001]Predmetni pronalazak se odnosi na opštu oblast poluprovidnih fotokatoda, i još preciznije, onih tipa od antimona i alkalnog metala, ili tipa poluprovidnih fotokatoda od oksida srebra (AgOCs), koje se često koriste u detektorima elektromagnetnog zračenja kao što su, na primer, cevi za pojačanje slike i cevi fotomultiplikatori.

STANJE TEHNIKE

[0002]Detektori elektromagnetnog zračenja, kao što su, na primer, cevi za pojačanje slike i cevi fotomultiplikatori, omogućavaju detekciju elektromagnetnog zračenja konvertujući ga u svetlost ili električni izlazni signal.

[0003]Oni obično sadrže fotokatodu za prijem elektromagnetnog zračenja, a kao odgovor emituju struju fotoelektrona, zatim uređaj za multiplikaciju elektrona za prijem pomenute struje elektrona, a kao odgovor emituje struju takozvanih sekundarnih elektrona, i na kraju izlazni uređaj za prijem pomenute struje sekundarnih elektrona, a kao odgovor emituje izlazni signali.

[0004]Kao što je prikazano na FIG. 1, takva fotokatoda 1 obično sadrži providan noseći sloj 10 i sloj 20 fotoemisionog materijala nanetog na stranu 12 pomenutog nosećeg sloja.

[0005]Noseći sloj 10 obuhvata takozvanu prijemnu čeonu stranu 11, namenjenu da primi dolazne fotone, i suprotnu zadnju stranu 12. Noseći sloj 10 je providan za dolazne fotone, a shodno tome ima transmitansu blisku jedinici.

[0006]Fotoemisioni sloj 20 ima uzvodnu stranu 21 u kontaktu sa zadnjom stranom 12 nosećeg sloja 10, i suprotnu nizvodnu stranu 22, nazvanu emisiona strana, sa koje se emituju generisani fotoelektroni.

[0007]Tako fotoni prolaze kroz noseći sloj 10 prijemne strane 11, i zatim ulaze u fotoemisioni sloj 20.

[0008]Oni zatim bivaju apsorbovani u fotoemisionom sloju 20 i u njemu se stvaraju parovi elektron-šupljina. Generisani elektroni se kreću do emisione strane 22 fotoemisionog sloja 20 i emituju se u vakuumu. Unutar detektora je zaista napravljen vakuum, tako da kretanje elektrona ne remeti prisustvo molekula gasa.

[0009]Fotoelektroni se zatim usmeravaju i ubrzavaju do uređaja za multiplikaciju elektrona kao što je ploča sa mikrokanalima ili skup dioda.

[0010]U EP 2 006 876 A1, US 2010/253218 A1, US 3 697 794 A, US 4 999 211 A i WO 01/09915 A1 su opisane konvencionalne poluprovidne fotokatode za detekciju fotona, koje sadrže: - providni noseći sloj sa čeonom stranom za prijem pomenutih fotona i suprotnom zadnjom stranom, - fotoemisioni sloj postavljen na pomenutu zadnju stranu i sa jednom suprotnom stranom za emisiju, namenjenu da prima pomenute fotone koji izlaze iz pomenutog nosećeg sloja i kao odgovor emituje fotoelektrone na izlasku sa pomenute strane za emisiju.

[0011]Prinos fotokatode, koji se naziva kvantni prinos, se konvencionalno definiše kao odnos broja emitovanih fotoelektrona prema broju primljenih dolaznih fotona.

[0012]On naročito zavisi od talasne dužine dolaznih fotona i debljine fotoemisionog sloja.

[0013]Samo kao ilustracija, za S25-tip fotokatode, kvantni prinos je reda veličine 15% za talasnu dužinu od 500 nm.

[0014]Još preciznije, kvantni prinos zavisi od tri glavne etape, prethodno pomenutog fenomena fotoemisije: apsorpcije dolaznog fotona i obrazovanja para elektron-šupljina; transporta obrazovanog elektrona do strane za emisiju fotoemisionog sloja, i emisije elektrona u vakuumu.

[0015]Svaki od ova tri koraka ima svoj sopstveni prinos, a proizvod sva tri prinosa definiše kvantni prinos fotokatode.

[0016]Međutim, prinosi u koracima apsorpcije i transporta su direktno zavisni od debljine fotoemisionog sloja.

[0017]Tako je prinos eakoraka apsorpcije rastuća funkcija debljine fotoemisionog sloja. Što je fotoemisioni sloj deblji, to je viši odnos broja apsorbovanih fotona prema broju dolaznih fotona. Fotoni koji nisu bili apsorbovani se emituju kroz fotoemisioni sloj.

[0018]Sa druge strane, prinos ettransportne faze, koji predstavlja odnos elektrona koji stižu do strane za emisiju prema generisanim elektronima je opadajuća funkcija debljine fotoemisionog sloja. Što je veća debljina sloja, manji je prinos Et. Zaista, što je veći put koji prelaze, veća je verovatnoća da će se generisani elektroni rekombinovati sa šupljinama.

[0019]Tako postoji optimalna debljina koja maksimizuje proizvod stepena apsorpcije easa stepenom transporta et, a time i kvantni prinos.

[0020]Samo u cilju ilustracije, za S25-tip fotokatode koji se često koristi u cevima za pojačanje slike, optimalna debljina fotoemisionog sloja, napravljenog od SbNaK, ili SbNa2KCs, je obično između 50 i 200 nm.

[0021]Na FIG. 2 je za takav fotoemisioni sloj prikazana promena stepena apsorpcije eakao funkcija talasne dužine upadnih fotona, kao i stepena refleksije e" upadnih fotona i stepena prenosa e' istih kroz fotoemisioni sloj.

[0022]Izgleda da se za velike talasne dužine, a naročito za talasne dužine blizu praga fotoemisije, stepen apsorpcije eaznatno smanjuje, dok se stepen prenosa e' povećava.

[0023]Tako se za upadne fotone talasne dužine 800 pm, samo 40% apsorbuje, dok se 60% prenosi kroz fotoemisioni sloj.

[0024]Da bi se smanjio stepen prenosa fotoemisionog sloja radi poboljšanja stepena apsorpcije u cilju povećanja kvantnog prinosa, a naročito na velikim talasnim dužinama, rešenje bi bilo da se poveća debljina pomenutog sloja.

[0025]Tako se povećanjem debljine prethodno pomenutog fotoemisionog sloja na 280 nm za talasnu dužinu od 800 pm dobija stepen apsorpcije od 64%, umesto40%, a stepen prenosa se smanjuje na 36%.

[0026]Međutim, ovo izaziva veliko smanjenje stepena prenosa, jer generisani elektroni treba da pređu duži put do površine za emisiju fotoemisionog sloja, i stoga je verovatnije da će se rekombinovati.

[0027]Dakle, povećanje debljine fotoemisionog sloja, iako poboljšava stepen apsorpcije, ne daje rezultat u povećanju kvantnog prinosa, a naročito na velikim talasnim dužinama, pošto se degradira stepen prenosa.

SUŠTINA PRONALASKA

[0028]Pronalazak ima osnovni cilj da se realizuje poluprovidna fotokatoda za detektor fotona, uključujući fotoemisioni sloj koji ima povećani stepen apsorpcije upadnih fotona, a da se pri tome sačuva nepromenjen stepen prenosa elektrona.

[0029]Zbog toga je jedan cilj pronalaska da se realizuje poluprovidna fotokatoda za detektor fotona, koja sadrži: - providni noseći sloj koji ima čeonu stranu koja prima pomenute fotone i suprotnu zadnju stranu, i - fotoemisioni sloj koji se nalazi prema pomenutoj zadnjoj strani i koji ima suprotnu stranu za emisiju, koji je namenjen da prima pomenute fotone iz pomenutog nosećeg sloja i da kao odgovor emituje fotoelektrone sa pomenute strane za emisiju.

[0030]Prema pronalasku, pomenuta fotokatoda sadrži rešetku za difrakciju pri prenosu sposobnu da difraktuje pomenute fotone, koji potiču iz nosećeg sloja i nalazi se na pomenutoj zadnjoj strani.

[0031]Pod takozvanom poluprovidnom fotokatodom se smatra fotokatoda kod koje se fotoelektroni emituju sa strane za emisiju koja je suprotna strani za prijem upadnih fotona. Ona se razlikuje od pomenute neprovidne fotokatode kod koje se elektroni emituju sa strane sa koje se primaju fotoni.

[0032]Noseći sloj je karakterisan kao providan, što znači da omogućava da se upadni fotoni prenose. Shodno tome, transmitansa nosećeg sloja ili odnos prenetih fotona prema primljenim fotonima je bliska ili jednaka jedinici.

[0033]Shodno tome, upadni fotoni ulaze u noseći sloj kroz takozvanu prijemnu čeonu stranu i prolaze kroz njega do suprotne zadnje strane.

[0034]Oni se onda difraktuju pomoću rešetke za difrakciju prema fotoemisionom sloju.

[0035]Oni ulaze u fotoemisioni sloj pod difrakcionim uglom koji se bitno razlikuje od upadnog ugla.

[0036]Prema definiciji, upadni, difrakcioni i refrakcioni uglovi fotona se mere u odnosu na normalu na posmatranu stranu. Tako se prethodno pomenuti upadni i difrakcioni uglovi definišu u odnosu na normalu na zadnju stranu nosećeg sloja na kojoj se nalazi difrakciona rešetka.

[0037]Kada foton stigne na difrakcionu rešetku u suštini pod nultim upadnim uglom, onda on ulazi u fotoemisioni sloj pod difrakcionim uglom koji je različit od nultog. Generalno, za datu raspodelu upadnog ugla, zapaženo je daje difrakcioni ugao u suštini prošireniji.

[0038]Tako je za debljinu fotoemisionog sloja, označenu sa e i merenu u pravcu njegove debljine, srednja vrednost debljine za fotone očigledno e.£(1/|cos ad|), gde je addifrakcioni ugao fotona i E(.) predstavlja srednju vrednost uzetu za raspodelu uglova difrakcionih uglova fotona.

[0039]Stepen apsorpcije fotoemisionog sloja je zbog toga veći nego kod fotokatoda poznatih iz prethodno pomenutog stanja tehnike, pošto je to rastuća funkcija debljine, a ovde prividne debljine, fotoemisionog sloja.

[0040]Osim toga, time je sačuvan stepen prenosa, jer on ne zavisi od prividne debljine fotoemisionog sloja kako bi ga videli fotoni, već od njegove stvarne debljine. Zaista, kada fotoni generišu parove elektron-šupljina, onda se generisani elektroni kreću do strane za emisiju nezavisno od smera prethodne propagacije fotona.

[0041]Shodno tome, fotokatoda prema pronalasku ima visoki stepen apsorpcije fotona i sačuvani stepen prenosa elektrona.

[0042]Ovo omogućava da kvantni prinos fotokatode bude poboljšan.

[0043]Mora se naglasiti da je kvantni prinos za velike talasne dužine, to jest one bliske pragu fotoemisije, značajno povećan, jer fotoni sa takvim talasnim dužinama imaju tendenciju, prema gore pomenutim primerima iz stanja tehnike, da se više prenose nego da se apsorbuju.

[0044]Poželjno je da pomenuta difrakciona rešetka bude ugravirana na zadnjoj strani nosećeg sloja.

[0045]Poželjno je da pomenuta difrakciona rešetka bude vezana bar delimično za zadnju stranu nosećeg sloja.

[0046]Poželjno je da difrakciona rešetka bude obrazovana periodičnim rasporedom šema, odn. šablona ispunjenih materijalom čiji je optički indeks različit od materijala nosećeg sloja.

[0047]Pod šemom, odn. šablonom se podrazumevaju ulegnuća, ili udubljenja, ili urezi, ili useci, ili brazde, koji imaju sinusoidni, stepenasti, trapezoidni oblik, koji se nalazi u nosećem sloju.

[0048]Poželjno je da je razlika između optičkog indeksa materijala difrakcione rešetke prisutnog u pomenutim šablonima, sa jedne strane, i materijala nosećeg sloja, sa druge strane, veća ili jednaka 0,2.

[0049]Povoljno je da je razmak rešetke, i/ili materijal difrakcione rešetke izabran tako da su fotoni difraktovani u fotoemisionom sloju sa difrakcionim uglom striktno većim od arcsin(1/np).

[0050]Prema drugom primeru izvođenja, fotokatoda sadrži bar još jednu dodatnu difrakcionu rešetku sposobnu da difraktuje pomenute fotone, koja se nalazi u nosećem sloju i smeštena je u blizini prve difrakcione rešetke, a obrazovana je sa periodičnim rasporedom šablona ispunjenih materijalom koji ima optički indeks različit od materijala nosećeg sloja.

[0051]Difrakcione rešetke su orijentisane duž posebnih pravaca, i udaljene su jedna od druge za zanemarljiv razmak u odnosu na debljinu nosećeg sloja. Razmak je od oko jedne desetine do desetostruke posmatrane talasne dužine.

[0052]Periodični raspored šablona pomenute dodatne difrakcione rešetke može biti pomeren duž pravca koji je ortogonalan na pravac debljine nosećeg sloja u odnosu na raspored pomenute prve difrakcione rešetke.

[0053]Alternativno tome, difrakciona rešetka i dodatna difrakciona rešetka se nalaze u istoj ravni.

[0054]Fotoemisioni sloj može sadržati antimon i najmanje jedan od alkalnih metala.

[0055]Takav fotoemisioni sloj može biti napravljen od materijala izabranog između SbNaKCs, SbNa2KCs, SbNaK, SbKCs, SbRbKCs ili SbRbCs.

[0056]Alternativno tome, fotoemisioni sloj može biti napravljen od AgOCs.

[0057]Poželjno je da fotoemisioni sloj ima u suštini konstantnu debljinu.

[0058]Poželjno je da fotoemisioni sloj ima debljinu manju ili jednaku 300 nm.

[0059]Pronalazak se takođe odnosi na optički sistem za detekciju fotona koji sadrži fotokatodu sa bilo kojom od prethodnih karakteristika, i izlazni uređaj za emisiju izlaznog signala kao odgovora na fotoelektrone koje emituje pomenuta fotokatoda.

[0060]Takav optički sitem može biti cev za pojačanje slike ili cevni fotomultiplikator.

[0061]Dalje prednosti i karakteristike pronalaska će biti opisane u detaljnom, ali neograničavajućem opisu u nastavku.

KRATAK OPIS SLIKA NACRTA

[0062]Sada će biti opisani primeri izvođenja pronalaska, na osnovu neograničavajućih primera, sa pozivom na priložene slike nacrta gde: FIG. 1, već opisan, predstavlja šematski izgled poprečnog preseka fotokatode prema primeru iz stanja tehnike; FIG. 2, već opisan, predstavlja primer promene stepena apsorpcije, prenosa i refleksije kao funkcije talasne dužine za 140 nm debeo fotoemisioni sloj za S25-tip fotokatode prema primeru iz stanja tehnike; FIG. 3 predstavlja šematski izgled poprečnog preseka fotokatode prema prvom poželjnom primeru izvođenja pronalaska; FIG. 4 predstavlja uvećan šematski izgled poprečnog preseka dela fotokatode prikazane na FIG. 3; FIG. 5 predstavlja primer vremenske promene kvantnog prinosa kao funkcije talasne dužine za fotokatodu prema primeru iz stanja tehnike i za fotokatodu prema prvom poželjnom primeru izvođenja pronalaska; FIG. 6 predstavlja šematski izgled poprečnog preseka fotokatode prema drugom poželjnom primeru izvođenja pronalaska, gde se difraktovani fotoni u potpunosti reflektuju na emisionom sloju; i FIG. 7 predstavlja šematski izgled poprečnog preseka fotokatode prema drugom poželjnom primeru izvođenja pronalaska, gde fotokatoda sadrži dve difrakcione rešetke.

DETALJNI OPIS PRONALASKA

[0063]Na FIG. 3 i 4 je prikazana poluprovidna fotokatoda 1 prema prvom poželjnom primeru izvođenja pronalaska.

[0064]Treba primetiti da razmere nisu ispoštovane, iz razloga jasnoće slika nacrta.

[0065]Fotokatoda 1 prema pronalasku može biti ugrađena u bilo koji tip detektora fotona, kao što su, na primer, cev za pojačanje slike ili cev za multiplikaciju elektrona.

[0066]Fotokatoda ima funkciju da prima struju upadnih fotona i da kao odgovor emituje elektrone, koji se nazivaju fotoelektroni.

[0067]Ona sadrži providni noseći sloj 10, sloj 20 od fotoemisionog materijala i, prema pronalasku, bar jednu difrakcionu rešetku 30 sposobnu da difraktuje upadne fotone.

[0068]Noseći sloj 10 je sloj od providnog materijala na koji je nanet fotoemisioni sloj 20.

[0069]On se naziva providnim, pošto upadni fotoni kroz njega prolaze bez apsorpcije. Transmitansa nosećeg sloja 10 je shodno tome u suštini jednaka jedinici.

[0070]On ima čeonu stranu 11, koja se naziva strana za prijem fotona, i suprotnu zadnju stranu 12.

[0071]Bar jedna predajna difrakciona rešetka 30 se nalazi u nosećem sloju 10 na pomenutoj zadnjoj strani 12.

[0072]U poželjnom primeru izvođenja pronalaska prikazanom na FIG. 3 i 4, postoji jedna difrakciona rešetka 30.

[0073]Difrakciona rešetka 30 je napravljena sa periodičnim rasporedom šablona 31 ispunjenih materijalom koji ima optički indeks različit od materijala nosećeg sloja 10.

[0074]Pod šablonom se podrazumevaju ulegnuća, udubljenja, urezi, useci, brazde, koji imaju sinusoidni, stepenasti, trapezoidni, ili neki drugi oblik, koji se nalazi u nosećem sloju.

[0075]Razlika između optičkih indeksa materijala difrakcione rešetke 30 koji je prisutan u pomenutom šablonu 31, sa jedne strane, i materijala nosećeg sloja 10, sa druge strane, je veća ili jednaka 0,2.

[0076]Difrakciona rešetka 30 je posebno karakterisana rastojanjem između dva susedna šablona 31, koje se naziva razmakom rešetke. Razmak rešetke je definisan kao funkcija talasne dužine upadnih fotona, da bi bio u stanju da ih difraktuje.

[0077]Kao što je detaljno prikazano na FIG. 4, difrakciona rešetka 30 može biti na nosećem sloju 10 zadnje strane 12, i tako bar delimično ograničava zadnju stranu 12.

[0078]Alternativno tome, difrakciona rešetka se može nalaziti unutar nosećeg sloja i biti smeštena vrlo blizu zadnje strane, na rastojanju od nje koje je zanemarivo u odnosu na debljinu nosećeg sloja.

[0079]Treba primetiti daje zadnja strana 12 nosećeg sloja 10 u suštini ravna. Ona međutim može biti zakrivljena, ukoliko sama katoda ima definisanu zakrivljenost.

[0080]Na FIG. 4 se difrakciona rešetka 30 nalazi u nosećem sloju 10, tako da se materijal koji ispunjava šablone 31 rešetke ne pruža izvan pomenutih šablona. Međutim, kao što će se videti tokom proizvodnje fotokatode, materijal koji ispunjava šablone 31 može, prema jednom varijantnom primeru izvođenja, obrazovati sloj između zadnje strane 12 nosećeg sloja i fotoemisionog sloja 20.

[0081]Fotoemisioni sloj 20 se nalazi uz zadnju stranu 12 nosećeg sloja 10.

[0082]On ima uzvodnu stranu 21, u kontaktu sa zadnjom stranom 12 nosećeg sloja 10, i suprotnu nizvodnu stranu 22, koja se naziva strana za emisiju fotoelektrona, odn. emisiona strana.

[0083]Fotoemisioni sloj 20 ima u suštini konstantnu srednju debljinu, označenu sa e. Poželjna debljina je manja od ili jednaka 300 nm.

[0084]Fotoemisioni sloj 20 je napravljen od pogodnog poluprovodničkog materijala, poželjno alkalnog jedinjenja baziranog na antimonu. Takav alkalni materijal može biti izabran između SbNaKCs, SbNa2KCs, SbNaK, SbKCs, SbRbKCs, ili SbRbCs. Fotoemisioni sloj 20 takođe može biti napravljen od oksida srebra AgOCs.

[0085]Emisiona strana 22 može biti tretirana vodonikom, cezijumom, ili cezijum oksidom da bi joj se smanjio afinitet prema elektronima. Shodno tome, fotoelektroni koji stignu do nizvodnu emisione strane 22 fotoemisionog sloja 20 će prirodno biti ekstrahovani sa nje i emitovani u vakuum.

[0086]Elektroda (nije prikazana), koja obrazuje rezervoar elektrona, je u kontaktu sa fotoemisionim slojem 20 i i dovedena je na električni potencijal.

[0087]Ona se može nalaziti na bočnoj strani fotoemisionog sloja 20, da se ne bi smanjivala ili remetila emisija elektrona sa nizvodne emisione strane 22.

[0088]Rezervoar elektrona omogućava da se šupljine koje generišu upadni fotoni rekombinuju. Zahvaljujući tome, ukupno naelektrisanje fotoemisionog sloja 20 ostaje u suštini konstantno.

[0089]Treba primetiti daje fotoemisioni sloj 20 dovoljno tanak da se generisani elektroni prirodno kreću ka emisionoj strani 22.

[0090]Zbog toga nije potrebno da se generiše električno polje u fotoemisionom sloju 20 da bi se osiguralo da se elektroni prenose do emisione strane. Generisanje takvog električnog polja bi u stvari zahtevalo da se postave dve elektrode za polarizaciju, jedna prema uzvodnoj strani 21 fotoemisionog sloja 20, a druga prema nizvodnoj emisionoj strani 22.

[0091]Funkcionisanje fotokatode prema pronalasku je opisano u nastavku.

[0092]Fotoni ulaze u fotokatodu 1 kroz prednju prijemnu stranu 11 nosećeg sloja 10.

[0093]Oni prolaze kroz noseći sloj 10 do njegove zadnje strane12.

[0094]Oni se zatim difraktuju pomoću difrakcione rešetke 30 i prenose u fotoemisioni sloj 20. Oni statistički imaju difrakcioni ugao koji je bitno veći, u apsolutnoj vrednosti, od upadnog ugla, pri čemu se upadni i difrakcioni uglovi definišu u odnosu na normalu na zadnju stranu 12.

[0095]Još preciznije, ako je a=aiupadni ugao na rešetci,f( a)ugaona raspodela upadnog zraka,Oddifrakcioni ugao, onda ugaona raspodela difraktovanog zraka može biti napisana kao: pri čemu je n difrakcioni broj rešetke i napravljena je aproksimacija ograničavanjem na prvi stepen difrakcije 6=A/p, gde je p razmak rešetke.

[0096]Ugaona raspodela difraktovanog zraka je konsekventno šire proširenija od one kod upadnog zraka. Elektroni se suočavaju sa fotoemisionim slojem 20 koji ima srednju prividnu debljinu:

gde je e stvarna debljina sloja i amax je maksimalni upadni ugao na rešetki.

[0097]Srednja prividna debljina fotoemisionog sloja je u suštini veća od stvarne debljine e, drugim recima srednje rastojanje koje fotoni prelaze u sloju je u suštini veće nego u stanju tehnike. Zahvaljujući ovome se apsorbuje veći procenat difraktovanih fotona.

[0098]Apsorpcija difraktovanih fotona izaziva generisanje parova elektron-šupljina. Generisani elektroni se prostiru kroz fotoemisioni sloj 20 prema nizvodnoj emisionoj strani 22, gde se zatim emituju u vakuum.

[0099]Pošto je transport elektrona u fotoemisionom sloju 20 nezavisan od prethodnog smera kretanja fotona, onda je stepen transporta fotoemisionog sloja 20 u suštini jednak onome kod fotokatode prema stanju tehnike, tj. bez difrakcione rešetke. Time je sačuvan stepen transporta.

[0100]Fotokatoda 1 prema pronalasku tako ima visoki stepen apsorpcije i sačuvani stepen transporta, što za rezultat ima optimizovan kvantni prinos, a posebno za energije koje su bliske pragu fotoemisije.

[0101]Fotokatoda 1 prema pronalasku može biti napravljena kao što sledi.

[0102]Noseći sloj 10 je napravljen od podesnog providnog materijala, na primer, kvarca ili borsilikatnog stakla.

[0103]Šeme, odn. šabloni 31 difrakcione rešetke 30 su ecovani, odn. ugravirani u noseći sloj 10 na zadnjoj strani 12 nekom od poznatih tehnika graviranja, kao što je na primer, holografsko i/ili jonsko nagrizanje ili čak tehnika graviranja dijamantom.

[0104]Šabloni 31 se zatim ispunjavaju difrakcionim materijalom čiji je optički indeks različit od onog od nosećeg sloja, kao što je, na primer, Al203(n~1,7), Ti02(n~2,3-2,6) ili Ta205(n~2,2), ili čak Hf02.

[0105]Ovaj materijal može biti nanet poznatim tehnikama za nanošenje pare fizičkim putem, kao što je, na primer, rasprskavanjem, uparavanjem, ili fizičkim nanošenjem pare elektronskim mlazom (eng. Elektron Beam Phvsical Vapor Deposition) (EBPVD). Takođe se mogu koristiti poznate tehnike nanošenja pare hemijskim putem, kao što su, na primer, atomsko nanošenje sloja (eng. Atomic Layer Deposition) (ALD), kao i takozvane hibridne tehnike kao što su, na primer, reaktivno prskanje i nanošenje pomoću jonskog mlaza (eng. Ion Beam Assisted Deposition, skr. IBAD).

[0106]Prema prvom poželjnom varijantnom primeru izvođenja, prikazanom na FIG. 4, zadnja strana 12 je ispolirana da bi se uklonio bilo koji višak difrakcionog materijala koji štrči sa šablona 31 difrakcione rešetke 30.

[0107]Prema drugom varijantnom primeru izvođenja, koji nije prikazan, zadnja strana je ispolirana, ali nije poravnata sa zadnjom stranom. Kao rezultat ovoga, uniformni sloj difrakcionog materijala je ostao prisutan na zadnjoj strani 22, kao nastavak šablona.

[0108]Bez obzira na varijantni primer izvođenja, može biti naneta tanka difuziona barijera da bi se sprečila bilo kakva hemijska migracija/interakcija između materijala fotoemisionog sloja i materijala difrakcione rešetke. Debljina difuzione barijere se bira tako da bude dovoljno tanka (manje od A/4, a poželjno reda A/10).

[0109]U svakom slučaju, zatim se nanosi fotoemisioni sloj 20 jednom od prethodno navedenih tehnika nanošenja.

[0110]Kao ilustracija, S25-tip fotokatode 1 prema prvom poželjnom primeru izvođenja pronalaska može biti napravljen na sledeći način.

[0111]Noseći sloj 10 se napravi od kvarca.

[0112]Difrakciona rešetka 30 se ugravira u noseći sloj 10 na zadnjoj strani 12, u obliku periodičnog rasporeda šablona 31 paralelnih jedan drugom.

[0113]Šabloni 31 su široki 341 nm i duboki 362 nm. Razmak rešetke, tj, razmak koji razdvaja dva susedna i paralelna šablona 31, je 795 nm.

[0114]Šabloni 31 se ispunjavaju, na primer, sa Ti02, čiji je optički indeks između 2,3 i 2,6.

[0115]Ti02se može naneti poznatom tehnikom atomskog nanošenja sloja (ALD).

[0116]Korak poliranja zadnje strane12 se vrši da bi se uklonio bilo koji višak difrakcionog materijala koji štrči iz useka 31.

[0117]Tako je zadnja strana12 u suštini ravna i delimično je oivičena materijalom (kvare) nosećeg sloja 10, a delimično difrakcionim materijalom (Ti02) šablona 31 difrakcione rešetke 30.

[0118]Na kraju se pravi fotoemisioni sloj 20 od SbNaK ili SbNa2KCs i nanosi se na zadnju stranu 12 nosećeg sloja 10 tako da mu je debljina u suštini konstantna, od 50 do 240 nm.

[0119]Na FIG. 5 je prikazana pramena kvantnog prinosa kao funkcija talasne dužine upadnih fotona, za takvu fotokatodu, sa jedne strane, i za fotokatodu prema prethodno opisanom primeru iz stanja tehnike, sa druge strane.

[0120]Primećuje se da se kvantni prinos poboljšava za ceo opseg talasnih dužina, naročito za velike talasne dužine.

[0121]Tako je za A-825 nm kvantni prinos fotokatode prema pronalasku reda 18%, dok je reda veličine 10% u slučaju fotokatode bez difrakcione rešetke, što daje poboljšanje prinosa od blizu 80% kvantnog prinosa.

[0122]Na FIG. 6 je prikazana fotokatoda prema drugom primeru izvođenja pronalaska.

[0123]Prethodno opisane pozivne oznake koje su identične onima sa FIG. 3 označavaju identične ili slične elemente.

[0124]Fotokatoda 1 se od prvog poželjnog primera izvođenja razlikuje samo po tome što je difrakciona rešetka 30 dimenzionisana tako da se bilo koji foton koji stigne pod normalnim upadnim uglom (a=0), difraktuje i ne apsorbuje u fotoemisionom sloju 20, reflektuje na nizvodnoj emisionoj strani 22.

[0125]Alternativno tome, difrakciona rešetka 30 je podesno dimenzionisana tako da je srednji difrakcioni ugao c^(u pogledu ugaone raspodele F(ad)) striktno veći od arcsin(1/np), pri čemu je np optički indeks fotoemisionog sloja. Još preciznije, razmak p rešetke i/ili optički indeks difrakcionog materijala koji ispunjava šablon 31 je izabran tako da je srednji difrakcioni ugao d? striktno veći od arcsin(1/np).

[0126]Shodno tome, ti reflektovani fotoni ostaju locirani u fotoemisionom sloju 20 sve do njihove apsorpcije i generisanja para elektron-šupljina.

[0127]Ovo omogućava da stepen prenosa fotona fotoemisionog sloja 20 bude značajno smanjen u korist stepena apsorpcije.

[0128]Pošto je stepen prenosa elektrona ostao nepromenjen, stoga je kvantni prinos fotokatode dodatno poboljšan, a naročito za fotone koji imaju energiju blisku pragu fotoemisije.

[0129]Na FIG. 7 je prikazana fotokatoda, gledana odozgo, prema trećem primeru izvođenja pronalaska, gde se dve difrakcione rešetke 30, 40 nalaze u nosećem sloju 10 na zadnjoj strani 12.

[0130]Pozivne oznake koje su identične onima na FIG. 3 koje su prethodno opisane označavaju identične ili slične elemente.

[0131]Fotokatoda se razlikuje od prvog poželjnog primera izvođenja po prisustvu dodatne difrakcione rešetke 40 u nosećem sloju 10.

[0132]Dodatna rešetka 40 se nalazi u blizini prve difrakcione rešetke 30, uzvodno od nje duž pravca prostiranja fotona.

[0133]Obe ove rešetke 30, 40 su orijentisane duž posebnih, a prvenstveno ortogonalnih pravaca, i međusobno su udaljene za razmak koji je zanemarljiv u odnosu na debljinu nosećeg sloja, na primer, za razmak reda od A/10 do 10A.

[0134]Dodatna rešetka 40 je, na primer, sa istim razmakom kao prethodno opisana prva difrakciona rešetka 30.

[0135]Prema jednom varijantnom primeru izvođenja, prva difrakciona rešetka i dodatna rešetka su napravljene u istoj ravni prema dvodimenzionalnom šablonu čija funkcija prenosa predstavlja proizvod odgovarajućih funkcija prenosa prve rešetke i dodatne rešetke. Dvodimenzionalni šablon se može dobiti holografskim tehnikama.

[0136]Prema hipotezi dve ortogonalne rešetke, ugaona raspodela difraktovanih fotona može onda biti napisana kao:

zadržavajući istu notaciju, gde su a i B, respektivno, upadni uglovi fotona u ravni normalnoj na pravac prve rešetke i u ravni normalnoj na pravac dodatne rešetke,9=A/p;9=A/p', pri čemu su p i p' razmaci prve rešetke i dodatne rešetke.

[0137]Shodno tome, ugaona raspodela je proširenija nego u prvom primeru izvođenja i prividna debljina fotoemisionog sloja 20 za fotone je veća, što poboljšava stepen apsorpcije.

[0138]Stručnjaci iz odgovarajuće oblasti će razumeti da ovaj primer izvođenja nije ograničen na dve difrakcione rešetke. Naime, veći broj difrakcionih rešetki koje imaju poseban pravac može postojati u nosećem sloju na zadnjoj strani.

[0139]Sa druge strane, stručnjaci iz odgovarajuće oblasti mogu napraviti različite modifikacije na pronalasku koji je opisan na osnovu neograničavajućih primera.

[0140]Na kraju, gore opisana katoda može biti integrisana u optički sistem za detekciju elektrona. Takav optički sistem sadrži izlazni uređaj koji je prilagođen za konvertovanje fotoelektrona u električni signal. Ovaj izlazni uređaj može sadržati CCD polje, optički sistem koji je poznat kao elektronima bombardovan (eng. Electron Bombarded) CCD (EB-CCD). Alternativno tome, izlazni uređaj može sadržati CMOS polje na razređenom i pasivnom supstratu, a takav optički sistem je poznat kao elektronima bombardovani (eng. Elektron Bombarded) CMOS (EBCMOS).

Claims (15)

1.Poluprovodna fotokatoda (1) za detekciju fotona, koja sadrži: - providni noseći sloj (10) koji ima čeonu stranu (11) za prijem pomenutih fotona i suprotnu zadnju stranu (12) i - fotoemisioni sloj (20) koji se nalazi na pomenutoj zadnjoj strani (12) i koji ima suprotnu emisionu stranu (22), a namenjen je da primi pomenute fotone iz pomenutog nosećeg sloja (10) i da kao odgovor emituje fotoelektrone sa pomenute emisione strane (22), naznačena timešto sadrži predajnu difrakcionu rešetku (30) sposobnu da difraktuje pomenute fotone, koja se nalazi u nosećem sloju (10) i smeštenaje na pomenutoj zadnjoj strani (12).

2.Fotokatoda (1) prema zahtevu 1,naznačena timešto je pomenuta difrakciona rešetka (30) ugravirana u zadnju stranu (12) nosećeg sloja (10).

3. Fotokatoda (1) prema zahtevima 1 ili 2,naznačena timešto je pomenuta difrakciona rešetka (30) obrazovana periodičnim rasporedom šablona (31) koji su ispunjeni materijalom koji ima optički indeks različit od materijala nosećeg sloja (10).

4.Fotokatoda (1) prema zahtevu 3,naznačena timešto je pomenuta difrakciona rešetka (30) realizovana tako da bar delimično ograničava zadnju stranu (12) nosećeg sloja (10) tako da ima isti nivo sa njim.

5.Fotokatoda (1) prema zahtevu 3,naznačena timešto se sloj od pomenutog materijala nalazi direktno na zadnjoj strani, kao nastavak pomenutog šablona.

6.Fotokatoda (1) prema zahtevima 4 ili 5,naznačena timešto postoji difuziona barijera između difrakcione rešetke i sloja za fotoemisiju.

7.Fotokatoda (1) prema bilo kom od zahteva 1 do 6,naznačena timešto sadrži bar jednu dodatnu difrakcionu rešetku (40) sposobnu da difraktuje pomenute fotone, koja se nalazi u nosećem sloju (10), a nalazi se u blizini pomenute prve difrakcione rešetke (30), pri čemu je obrazovana periodičnim rasporedom šablona (41) duž posebnog pravca koji se razlikuje od onog od šablona prve rešetke.

8.Fotokatoda (1) prema zahtevu 7,naznačena timešto se prva rešetka i dodatna difrakciona rešetka (40) nalaze u istoj ravni i napravljene su pomoću dvodimenzionalnih šablona.

9.Fotokatoda (1) prema bilo kom od zahteva 1 do 8,naznačena timešto fotoemisioni sloj (20) sadrži antimon i najmanje jedan alkalni metal.

10.Fotokatoda (1) prema zahtevu 8,naznačena timešto je fotoemisioni sloj (20) napravljen od materijala izabranog između SbNaKCs, SbNa2KCs, SbNaK, SbKCs, SbRbKCs, ili SbRbCs.

11.Fotokatoda (1) prema bilo kom od zahteva 1 do 8,naznačena timešto je fotoemisioni sloj (20) napravljen od AgOCs.

12.Fotokatoda (1) prema bilo kom od zahteva 1 do 8,naznačena timešto fotoemisioni sloj (20) ima u suštini konstantnu debljinu.

13.Fotokatoda (1) prema zahtevu 12,naznačena timešto fotoemisioni sloj (20) ima debljinu manju ili jednaku 300 nm.

14.Optički sistem za detekciju fotona koji sadrži fotokatodu (1) prema bilo kom od zahteva 1 do 13, i izlazni uređaj za emisiju izlaznog signala kao odgovor na fotoelektrone koje emituje pomenuta fotokatoda (1).

15.Optički sistem prema zahtevu 14, koji služi kao cev za pojačanje slike ili cev za fotomultiplikaciju, EB-CCD ili EBCMOS tipa.