Infocommunications and Radio Technologies Infocommunications and Radio Technologies ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ И РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 2587-9936 53380 10.29039/2587-9936.2022.05.3.24 Электроника, фотоника, приборостроение и связь (2.2) ELECTRONICS, PHOTONICS, INSTRUMENTATION AND COMMUNICATIONS (2.2) Электроника, фотоника, приборостроение и связь (2.2) Experimental Studies of the Characteristics of Photocatodes of the Ultraviolet Range of the Spectrum Экспериментальные исследования характеристик фотокатодов ультрафиолетового диапазона спектра Пхайко Николай Анатольевич Pkhaiko Nikolai A. dep5@vniitf.ru Кондратьев Александр Александрович Kondratyev Alexander A. Пахомов Сергей Николаевич Pakhomov Sergey N. Потапов Анатолий Васильевич Potapov Anatoly V.

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Сорокин Илья Александрович Sorokin Ilya A. Тищенко Александр Станиславович Tishchenko Alexander S. Российский Федеральный Ядерный Центр — ВНИИ технической физики им. академ. Е. И. Забабахина Снежинск Россия Russian Federal Nuclear Center — Zababakhin All-Russia Research Institute of technical Physics Snezhinsk Russian Federation Российский Федеральный Ядерный Центр — ВНИИ технической физики им. академ. Е. И. Забабахина Снежинск Россия Russian Federal Nuclear Center — Zababakhin All-Russia Research Institute of technical Physics Snezhinsk Russian Federation Российский Федеральный Ядерный Центр — ВНИИ технической физики им. академ. Е. И. Забабахина Снежинск Россия Russian Federal Nuclear Center — Zababakhin All-Russia Research Institute of technical Physics Snezhinsk Russian Federation Российский Федеральный Ядерный Центр — ВНИИ технической физики им. академ. Е. И. Забабахина Снежинск Россия Russian Federal Nuclear Center — Zababakhin All-Russia Research Institute of technical Physics Snezhinsk Russian Federation Российский Федеральный Ядерный Центр — ВНИИ технической физики им. академ. Е. И. Забабахина Снежинск Россия Russian Federal Nuclear Center — Zababakhin All-Russia Research Institute of technical Physics Snezhinsk Russian Federation Российский Федеральный Ядерный Центр — ВНИИ технической физики им. академ. Е. И. Забабахина Снежинск Россия Russian Federal Nuclear Center — Zababakhin All-Russia Research Institute of technical Physics Snezhinsk Russian Federation 28 09 2022 28 09 2022 5 3 325 341 20 09 2022 20 09 2022 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/53380/view

Фотоэмиссионные элементы с высокой чувствительностью к квантам ультрафиолетового (УФ) диапазона спектра имеют большой круг практических применений в ускорительной технике и генераторах сверхкоротких электромагнитных импульсов СВЧ-диапазона. Потенциальные выгоды применения УФ фотокатодов в данных областях техники определяются таким сочетанием их свойств, как высокая электропрочность и большой квантовый выход. В докладе приведены результаты экспериментальных исследований характеристик фотокатодов на основе магний-бариевых (Mg-Ba) сплавов и иодида цезия (CsJ). Фотокатоды изготавливались методом термического вакуумного распыления на полированные подложки из нержавеющей стали. Впервые показано, что электрическая прочность вакуумных промежутков с УФ катодами существенно выше, чем с сурьмяно-цезиевыми катодами видимого диапазона спектра (для CsJ катодов — в 2,5 раза, для Mg-Ba катодов — более, чем в три раза). Квантовая эффективность Mg-Ba катодов составляет ~1 % на длине волны 247 нм, CsJ катодов — 7,5 % на длине волны 196 нм. Впервые приведены результаты исследований динамики снижения квантовой эффективности фотокатодов при импульсно-периодическом облучении их лазерными импульсами с флюенсом ~6 мкДж/см2. Проведено сравнение характеристик фотокатодов с точки зрения их практических применений.

Photoemission cells with high sensitivity to photons in the ultraviolet (UV) range of the spectrum have a wide range of practical applications in accelerator technology and generators of ultrashort electromagnetic pulses in the microwave range. The potential benefits of using UV photocathodes in these areas of technology are determined by such a combination of their properties as high electrical strength and high quantum efficiency. The report presents the results of experimental studies of the characteristics of photocathodes based on magnesium-barium (Mg-Ba) alloys and cesium iodide (CsJ). Photocathodes were fabricated by thermal vacuum sputtering on polished stainless steel substrates. It is shown that the dielectric strength of vacuum gaps with UV cathodes is significantly higher than with antimony-cesium cathodes in the visible range of the spectrum (for CsJ cathodes – 2.5 times, for Mg-Ba cathodes – more than three times). The quantum efficiency of Mg-Ba cathodes is ~1% at a wavelength of 247 nm, and that of CsJ cathodes is 7.5% at a wavelength of 196 nm. The results of studies of the dynamics of a decrease in the quantum efficiency of photocathodes under repetitively pulsed irradiation with laser pulses with a fluence 6 μJ/cm2. The characteristics of photocathodes are compared from the point of view of their practical applications.

 фотоэмиссионные элементы генераторы сверхкоротких электромагнитных импульсов магний-бариевый сплав иодид цезия термическое вакуумное распыление электрическая прочность квантовая эффективность photoemissive elements generators of ultrashort electromagnetic pulses magnesium-barium alloy cesium iodide thermal vacuum sputtering electrical strength quantum efficiency

Photocathodes for free electron lasers / S. H. Kong, J. Kinross-Wright, D. C. Nguyen, R. L. Sheeld // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A. 1995. Vol. 358. P. 272-275. S. H. Kong, J. Kinross-Wright, D. C. Nguyen, and R. L. Sheffield, “Photocathodes for free electron lasers,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 358, no. 1-3, pp. 272-275, Apr. 1995, doi: 10.1016/0168-9002(94)01425-6. Michelato P. Photocathodes for RF photoinjectors // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A. 1997. Vol. 393. P. 455-459. P. Michelato, “Photocathodes for RF photoinjectors,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 393, no. 1-3, pp. 455-459, Jul. 1997, doi: 10.1016/s0168-9002(97)00545-7. Shefer E. et al. Laboratory Production of Efficient Alkali-Antimonide photocathodes // Nucl. Instr. Meth. A. 1998. Vol. 411. P. 383-388. E. Shefer, A. Breskin, A. Buzulutskov, R. Chechik, M. Klin, and M. Prager, “Laboratory production of efficient alkali-antimonide photocathodes,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 411, no. 2-3, pp. 383-388, Jul. 1998, doi: 10.1016/s0168-9002(98)00350-7. Mete O. Study and Experemental Characterisation of a Novel Photo Ingector for the CLIC Drive Beam. PhD thesis. EPFL, 2011. O. Mete, Study and Experemental Characterisation of a Novel Photo Ingector for the CLIC Drive Beam. PhD thesis, EPFL, 2011. Srinivasan-Rao T. et al. Performance of magnesium cathode in the S-band RF gun // Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference. 1997. P. 2790-2792. T. Srinivasan-Rao et al., “Performance of magnesium cathode in the S-band RF gun,” Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference, 1997, vol. 3, pp. 2790-2792, doi: 10.1109/PAC.1997.752767. Лифшиц Т. М., Кокина Н. Г. Фотокатоды для регистрации ультрафиолета на основе сплавов магния с барием // Радиотехника и электроника. 1958. № 9. С. 1199-1203. T. M. Lifshitz and N. G. Kokina, “Photocathodes for ultraviolet detection based on magnesium-barium alloys,” Radiotekhnika i elektronika, 1958, no. 9, pp. 1199-1203. (In Russ.). Лифшиц Т. М., Кокина Н. Г., Политова Н. М. Фотоэлектрические свойства сплавов магния с барием // Радиотехника и электроника. 1960. № 8. С. 1267-1274. T. M. Lifshits, N. G. Kokina, and N. M. Politova, “Photoelectric properties of magnesium alloys with barium,” Radiotekhnika i elektronika, vol. 1960, no. 8, pp. 1267-1274. (In Russ.). Кокина Н. Г., Лифшиц Т. М. Способ изготовления фотокатода для регистрации ультрафиолетового излучения. А. с. 118425 (СССР). МПК : H01J 1/34, H01J 9/121958. Опубл. 01.01.1958. N. G. Kokina, T. M. Lifshits, “Method for manufacturing a photocathode for recording ultraviolet radiation,” A. c. 118425 (USSR), IPC: H01J 1/34, H01J 9/121958. Published 01/01/1958. (In Russ.). Фотокатод, работающий в ультрафиолетовой области спектра / А. М. Бишаев и др. А. с. 1758704А1 (СССР). МПК : H01J 40/06. Опубл. 30.08.1992. Бюл. № 32. A. M. Bishaev et al. “Photocathode operating in the ultraviolet region of the spectrum,” A. c. 1758704A1 (USSR), IPC: H01J 40/06. Published 08/30/1992. Bull. No. 32. (In Russ.). Tkachenko V. G., Kondrashev A. I., Maksimchuk I. N. Advanced metal alloy systems for massive highcurrent photocathodes // Applied Physics. B. 2010. Vol. 98. P. 839-849. V. G. Tkachenko, A. I. Kondrashev, and I. N. Maksimchuk, “Advanced metal alloy systems for massive high-current photocathodes,” Applied Physics B, vol. 98, no. 4, pp. 839-849, Jan. 2010, doi: 10.1007/s00340-009-3887-z. Photoemissive properties of binary magnesium-barium and aluminium-lithium metallic alloys / V. G. Tkachenko et al. // Appl. Phys A. 1996. Vol. 62. P. 285-287. V. G. Tkachenko, I. N. Maksimchuk, V. V. Shklover, G. A. Katrich, and V. V. Klimov, “Photoemissive properties of binary magnesium-barium and aluminium-lithium metallic alloys,” Applied Physics A Materials Science & Processing, vol. 62, no. 3, pp. 285-287, Mar. 1996, doi: 10.1007/bf01575096. Breskin A. CsI UV photocathodes : history and mystery // Nucl. Instr. Meth. A. 1996. Vol. 371. P. 116-136. A. Breskin, “CsI UV photocathodes: history and mystery,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 371, no. 1-2, pp. 116-136, Mar. 1996, doi: 10.1016/0168-9002(95)01145-5. Бузулуцков А. Ф. Газовые фотодетекторы с твердыми фотокатодами // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2008. Т. 39. Вып. 3. С. 813-869. A. F. Buzulutskov, “Gas photodetectors with solid photocathodes,” Physics of elementary particles and atomic nucleus, 2008, vol. 39, iss. 3, pp. 813-869. (In Russ.). Philipp H. R., Taft E. A. J. Photoelectric emission from the valence band of cesium iodide // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1956. Vol. 1, no. 3. P. 159-163. H. R. Philipp and E. A. Taft, “Photoelectric emission from the valence band of cesium iodide,” Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 1, no. 3, pp. 159-163, Nov. 1956, doi: 10.1016/0022-3697(56)90023-3. Соммер А. Фотоэмиссионные материалы. Пер. с англ. М. : Энергия, 1973. 177 с. A. Sommer, Photoemission materials, Moscow: Energiya, 1973. Suberlucq G. Photocathodes en iodure de césium utilisées à fort courant, CERN-PS-92-29-LP, CLIC-Note-162, mai 1992. URL: https://cds.cern.ch/record/236701/files/CM-P00058088.pdf. G. Suberlucq, Photocathodes en iodure de césium utilisées à fort courant, CERN-PS-92-29-LP, CLIC-Note-162, mai 1992. URL: https://cds.cern.ch/record/236701/files/CM-P00058088.pdf.