Wat is de fotokathodegevoeligheid bij nachtzicht?

Nachtkijkers zijn afhankelijk van de omzetting van beschikbaar licht van laag niveau, zoals maanlicht of sterrenlicht, in zichtbare beelden. Een belangrijk onderdeel dat deze conversie mogelijk maakt, is de fotokathode. De gevoeligheid van de fotokathode heeft een directe invloed op de prestaties en mogelijkheden van nachtzichtapparatuur.

De rol van de fotokathode
De fotokathode is een dunne schijf gemaakt van foto-emitterend materiaal die in een beeldversterkerbuis zit. Wanneer fotonen uit een beeld de fotokathode raken, worden elektronen uitgezonden door het foto-elektrisch effect. Deze elektronen worden vervolgens versterkt om het beeld helderder te maken.

De gevoeligheid van de fotokathode verwijst naar het vermogen om invallend licht om te zetten in een elektronisch signaal. Gevoeliger fotokathoden kunnen zwakkere lichtsignalen detecteren en meer elektronen afgeven. Hierdoor kunnen nachtkijkers beter zien bij weinig licht. De gevoeligheid van de fotokathode is een belangrijke prestatiemaatstaf.

Sleutelfactoren die de gevoeligheid beïnvloeden
Er zijn verschillende factoren die de gevoeligheid van een fotokathode beïnvloeden:

Foto-emitterend materiaal
De samenstelling van het fotokathodemateriaal zelf is een belangrijke bepalende factor voor de gevoeligheid. Verschillende foto-emitterende verbindingen en kathodestructuren zullen verschillend reageren op invallend licht. Veel voorkomende materialen zijn galliumarsenide, gallium-indium-arsenide en gallium-aluminium-arsenide. Ingenieurs selecteren het optimale materiaal voor de gewenste prestaties.

Golflengte van licht
De gevoeligheid van de fotokathode varieert met de golflengte van het licht. De meeste zijn ontworpen om gevoelig te zijn voor groen licht rond de 550 nm, aangezien het menselijk oog hier ook een piek in gevoeligheid heeft. Gespecialiseerde kathodes kunnen echter ook infrarood licht detecteren door verschillende materialen te gebruiken. De S-factor wordt gemeten bij de golflengte waarvoor de kathode is geoptimaliseerd.

Temperatuur
De gevoeligheid van de fotokathode is afhankelijk van de temperatuur. Over het algemeen verlagen hogere temperaturen de S-factor. Het koelen van de fotokathode kan de gevoeligheid helpen verbeteren. Hiervoor is echter extra hardware nodig. De meeste nachtzichtapparatuur maakt enige actieve koeling mogelijk door geleiding door het beeldversterkerlichaam.

Schade en vlekken
Onvolkomenheden, krassen, vlekken en eventuele schade aan het oppervlak van de fotokathode kunnen de lichtomzettingsefficiëntie negatief beïnvloeden. Dit verlaagt de gevoeligheid en beeldkwaliteit. Zwaar beschadigde kathodes moeten mogelijk worden vervangen.

Elektrische veldsterkte
Een sterkere elektrische veldgradiënt helpt foto-elektronen efficiënter uit het kathodeoppervlak te werpen. Dit veld wordt gegenereerd door het spanningsverschil tussen de fotokathodeschijf en de eerste laag van de microkanaalplaat. Een hogere spanning verbetert de gevoeligheid.

Verbetering van de gevoeligheid van de fotokathode
Er zijn een paar benaderingen die worden gebruikt om de gevoeligheid van fotokathodes te verbeteren:

Gebruik makend van meer geavanceerde foto-emitterende materialen en kathodestructuren
Het koelen van de fotokathode om thermisch gegenereerde ruis te verminderen
Het verhogen van de spanningsgradiënt om een ​​efficiëntere elektronenemissie mogelijk te maken
Vermindering van oppervlaktedefecten door verbeterde productie en verwerking
Het aanbrengen van dunne films of coatings om de kwantumefficiëntie te vergroten
Het gebruik van fotokathoden met een grotere diameter om meer licht te verzamelen

Conclusie
De gevoeligheid van de fotokathode is een kritische maatstaf die de prestaties van nachtzichtapparatuur bepaalt. Het geeft de efficiëntie aan van het omzetten van fotonen bij weinig licht in een elektronisch signaal. Sleutelfactoren die de gevoeligheid beïnvloeden zijn onder meer de foto-emitterende verbinding, de golflengte van het licht, de temperatuur, schade en elektrische veldsterkte. Met voortdurend onderzoek naar materialen en kathodetechniek kan de gevoeligheid van toekomstige nachtzichtsystemen verder worden verbeterd, waardoor superieure mogelijkheden bij weinig licht worden geboden.

Referenties
Nachtvisie. "Fotokathode." Nachtvision.com, www.nachtvision.com/photocathode.htm. Geraadpleegd op 25 januari 2023.
Matlock, Marty. "Beeldversterkerbuizen." Leger van de Verenigde Staten, 15 maart 2017, https://m.goarmy.com/content/dam/goarmy/downloaded_assets/tec_man/TEC_TM{{ 5}}&P.pdf.
"Beeldversterkerbuizen." Photek, www.photek.com/support/knowledge-base/image-intensifier-tubes/. Geraadpleegd op 25 januari 2023.
Tavernier, Filip en Mieke Steukers. "De basisprincipes van fotokathodes." Photonis, oktober 2018, pp. 1–6, www.photonis.com/uploads/news/Photonis_Photocathode_basics.pdf.
"Fotokathode." Wikipedia, Wikimedia Foundation, 24 mei