Fotokatood: fotoelektriline katood valguse tuvastamise seadmetes

Fotokatood — fotoelektriline katood, mis tuvastab ja võimendab nõrka valgust teleskoopides, öövaatluses ja detektorites, kasutades fotoelektrilist efekti.

Fotokatood on negatiivselt laetud elektrood valguse tuvastamise seadmes. Fotokatood on fotoelektrilise efekti alusel töötav fotoemissiivne pind, mida kasutatakse valgussignaali muundamiseks vabanevateks elektronideks. Neid leidub näiteks fotokordajates (fotomultiplaatorites), pildiintensifierites ja teistes pildistamis- ning valgustundlikes instrumentides. Üldisemalt võetakse sissetulevast valgusest välja elektronid ning neid elektrooniliselt võimendatakse, muutes nõrga valgussignaali loetavaks elektrisignaaliks.

Kuidas fotokatood töötab

Teleskoobi või binokli objektiiv suunab valguse spetsiaalse valgustundliku metalliga kaetud klaaskihi või muu kandja pinnale. Kui seda tabab valgus, tekitab neeldunud energia elektronide väljalangemise — seda nähtust nimetatakse fotoelektriliseks efektiks. Vabanenud elektronid kiiratakse edasi negatiivse potentsiaaliga fotokatoodi suhtes positiivse anoodi suunas, kus neid võimendatakse dünoodide või mikrootsikute abil ning lõpuks registreeritakse andurina.

Fotokatoodi tüübid ja materjalid

Fotokatoodide koostiseks on tavaliselt perekonnad metallide ja pooljuhtude kombinatsioonidest, mis annavad erineva tundlikkuse eri lainepikkustel. Levinud tüübid ja omadused:

• Semitransparent (poolläbipaistev) fotokatood — õhuke kile, mis laseb osa valgust läbi ja eraldab elektrone tagaküljel; kasutatakse sageli läätse või akna sees.
• Reflective (peegeldav) fotokatood — paksum kattekiht, mis asub peegeldava aluspinnal ja emiteerib elektrone samalt poolelt, kuhu valgus langeb; sobib madalama valguse neeldumise korral.
• Materjalid nagu alkali-metallide sulamid (näiteks räni- või antimoniidid koos kaalium- või naatriumkomponentidega) ning spetsiaalsed pooljuhid (GaAs jt) annavad suure kvantõhususe teatud spektrivahemikes.

Peamised rakendusalad

Fotokatoodid on olulised instrumentides, mis peavad suurendama sissetuleva valguse hulka või töötama väga nõrga valguse tingimustes. Näited:

• Astronoomilised vaatlusseadmed, kus nõrk taevavalgus tuleb muundada mõõdetavaks signaaliks.
• Astronoomilised teleskoobid ja öövaatlusseadmed, sh sõjaväe kasutuses olevad binoklid ja teleskoobid kiivritel ja püssidel.
• Pildiintensifierid öise nägemise jaoks ning fotomultiplaatorid kiirdetektorites, läbikiirgusanalüüsis ja leitavuse süsteemides.

Tähtsamad parameetrid

Mõned olulisemad tehnilised näitajad, mida fotokatoodi valikul arvestatakse:

• Kvantõhusus (QE) — kui palju elektrone emiteeritakse sissetuleva footoni kohta; oluline tundlikkuse näitaja ja sõltub lainepikkusest.
• Spektraalne ulatus — lainepikkuste vahemik (UV, nähtav, IR), mille suhtes fotokatood on tundlik.
• Dark current ehk pimevool — taustelektronide vool, mis tekib ilma valguseta; madal pimevool on oluline kõrge signaali-müra suhte jaoks.
• Lineaarne ulatus ja dünaamiline vahemik — kuidas fotokatood käitub väga nõrga ja väga tugeva valguse korral.

Pistikuküsimused: eluiga ja piirangud

Fotokatoodide tööiga sõltub materjalist, töötingimustest ja keskkonnast. Tüüpilised piirangud ja hooldusvajadused:

• Fotokatood on tavaliselt pakendatud vaakumis või inertgaasis, sest õhk ja niiskus kahjustavad tundlikku pinda.
• Pidev valgusrõhk, kõrged temperatuuri kõikumised ja saasteainekinnitused vähendavad efektiivsust ning kiirendavad vananemist.
• Mõned fotokatoodid on tundlikud helkuritele või mustusele — regulaarne hooldus ja sobiv kinnistamine pikendavad eluiga.

Täiendavad võimendustehnoloogiad

Pärast fotokatoodilt väljunud elektronide genereerimist kasutatakse neid tavaliselt edasiseks võimendamiseks:

• Dünoodid fotomultiplaatorites, kus iga astme korral kogutud elektronide hulk suureneb mitmekordselt.
• Microchannel plates (MCP) ja pilditabelid pildiintensifierites, mis võimaldavad säilitada ruumilist lahutust ja saavutada kõrget võimendust.

Kokkuvõttes on fotokatood keskne komponent kaugtuvastuses ja madala valgusega pildistamissüsteemides: ta muudab footonid vabaks elektroneks, mille järel kasutatakse elektroonilist võimendust ning töötleb need loetavaks signaaliks. Õige fotokatoodi valik sõltub soovitud lainepikkusest, tundlikkusest, taustmüra nõuetest ja töötingimustest.

Küsimused ja vastused

K: Mis on fototöötlus?

K: Mis on fotokordaja peamine funktsioon?

K: Millised on näited seadmetest, mis peavad suurendama sissetuleva valguse kogust?

K: Mis juhtub, kui valgus tabab spetsiaalse valgustundliku metalliga kaetud klaaskihti?

K: Milleks kogutakse vabanenud elektronid valguse tuvastamise seadmes?

K: Milline on objektiivi roll teleskoobis või binoklis?

K: Mis on fotokordaja põhitüüp?

Otsing