Fotokatóda je záporne nabitá elektróda v zariadení na detekciu svetla. Sú hlavným typom fotonásobiča. To znamená, že prijímajú malé množstvo svetla a vytvárajú z neho ďalšie.

Existujú prístroje, ktoré potrebujú zväčšiť množstvo prichádzajúceho svetla. Príkladom sú astronomické ďalekohľady a vojenské prístroje na nočné videnie: ďalekohľady a teleskopy na prilbách a puškách atď.

Objektív ďalekohľadu alebo binokulárneho ďalekohľadu prenáša svetlo na vrstvu skla pokrytú špeciálnym kovom citlivým na svetlo. Keď na ňu dopadne svetlo, absorbovaná energia spôsobí odskok elektrónov. Tento jav sa nazýva "fotoelektrický efekt". Uvoľnené elektróny sa potom zhromažďujú a vytvárajú konečný obraz.

Princíp fotoelektrického efektu

Fotoelektrický efekt popisuje uvoľnenie elektrónov z materiálu po absorpcii fotónov. Energiu fotónu môžeme vyjadriť rovnicou E = hν (kde h je Planckova konštanta a ν frekvencia svetla). Aby bol elektrón uvoľnený, musí platiť hν ≥ φ, kde φ je výstupná práca (work function) materiálu fotokatódy. Ak je energia fotónu menšia než φ, elektrón sa neuvoľní bez ďalšieho prísunu energie.

Konstrukcia a používané materiály

Fotokatóda je tenká vrstva citlivého materiálu nanesená na vnútornú stranu priehľadného okna vákuovej trubice alebo na kovový povrch. Hlavné typy materiálov sú:

  • Bialkálové fotokatódy (najčastejšie Sb-K-Cs) – dobrá citlivosť v oblasti viditeľného svetla, používané v bežných fotonásobičoch.
  • Multi-alkali – širší spektrálny rozsah vrátane modrého a blízkeho infračerveného pásma.
  • GaAs a GaAs(Cs) – vysoká citlivosť v blízkom IR, často používané tam, kde je potrebné zachytávať dlhé vlnové dĺžky.
  • CsSb, SbCs a ďalšie kombinácie – volené podľa požadovaného spektrálneho rozsahu a kvantity vyprodukovaných elektrónov.

Fotokatódy sú veľmi citlivé na kontamináciu vzduchom, vlhkosť a mechanické poškodenie, preto sa často vyrábajú a hermeticky uzatvárajú vo vákuu.

Funkcia vo fotonásobičoch a obrazových zosilňovačoch

Vo fotonásobičoch (photomultipliers, PMT) fotokatóda prevádza prichádzajúce fotóny na elektróny. Uvoľnené elektróny sú následne urýchľované a zameriavané na sériu dynód, kde každý zásah produkuje viac sekundárnych elektrónov. Tento kaskádový proces vedie k veľkému zosilneniu signálu. Typický zisk fotonásobiča je približne G ≈ δ^n, kde δ je faktor sekundárnej emisie na jednej dynóde a n je počet dynód.

Alternatívou k klasickým dynódovým PMT sú microchannel plates (MCP), ktoré poskytujú vysoké priestorové rozlíšenie a rýchlu odozvu, a image intensifiers, ktoré vytvárajú obraz vhodný pre optické zobrazenie nočného videnia.

Hlavné parametre a obmedzenia

  • Kvantová účinnosť (QE) – pravdepodobnosť, že prichádzajúci fotón uvoľní fotoelektrón. Udáva sa v percentách; typicky od niekoľkých percent až po ~40 % u niektorých špeciálnych fotokatód.
  • Spektrometrická citlivosť – rozsah vlnových dĺžok, kde je fotokatóda citlivá (od UV cez viditeľné až po blízke IR, v závislosti od materiálu).
  • Temný prúd – prúd v neprítomnosti svetla spôsobený tepelnými emisiami; obmedzuje citlivosť pri extrémne slabom osvetlení. Je možné ho redukovať chladením.
  • Lineárnosť a dynamický rozsah – schopnosť správne reagovať na široké spektrum intenzít svetla bez skreslenia signálu.
  • Rýchlosť odozvy a časová rozlíšenie – dôležité pri experimentálnej fyzike a pri meraniach s krátkymi pulzmi svetla.

Aplikácie

Fotokatódy a fotonásobiče sa používajú všade tam, kde je potrebné detegovať veľmi slabé svetlo alebo dosiahnuť vysoké časové rozlíšenie:

  • Astronómia – zber slabého svetla z hviezd, galaxií a ďalekých objektov.
  • Nočné videnie a vojenské prístroje – ďalekohľady, teleskopy a zosilňovače obrazu na prilbách a zbraňových zameriavačoch.
  • Častícová a jadrová fyzika – detektory svetelných zábleskov v scintilátoroch a Čerenkovových detektoroch.
  • Medical imaging – niektoré zariadenia v nukleárnej medicíne, PET skenery a scintilačné detektory.
  • Spektrometria a analytika – meranie veľmi slabých svetelných signálov v laboratórnych meraniach.

Porovnanie so solid-state senzormi

V posledných dekádach sa rozšírili senzory typu CCD, CMOS, APD a SiPM, ktoré majú výhody v malých rozmeroch, jednoduchosti použitia a robustnosti. Napriek tomu majú fotokatódy a PMT často lepší pomer signál/hluk pri extrémne nízkych hladinách svetla, rýchlejšie časové rozlíšenie a väčšie aktívne plochy, preto sú stále preferované v špecializovaných aplikáciách.

Údržba a manipulácia

Fotokatódy sú citlivé na znečistenie, kyslík a vlhkosť. Pri výrobe sa používajú vákuové procesy a po nasadení sú súčiastky hermeticky uzavreté. Pri manipulácii s fotokatódou treba dbať na čistenie optiky, správne uskladnenie a ochranu pred mechanickým poškodením.

Poznámka: Výber konkrétneho typu fotokatódy závisí od požiadaviek merania – spektrálnej oblasti, požadovanej kvantovej účinnosti, rýchlosti a úrovne šumu.