Study of the relative extraction efficiency of photocathodes in gaseous atmosphere

Abstract

Photocathodes are widely used in radiation detection since they convert photons into electrons by photoelectric effect. One of their most important characteristic is their Quantum Efficiency that is defined as the ratio between the number of incident photons and the number of emitted electrons. Noble gases exhibit several properties that allow them to be chosen as detection media for some kinds of radiation detectors that also make use of photocathodes. In this conditions the electrons emitted by the photocathode interact with the gas and this might change the number of photoelectrons emitted, making it more accurate to talk in Extraction Efficiency instead of Quantum Efficiency. Hence it is important to study the characteristics of photocathodes when they are placed in a gaseous atmosphere to optimize the performance of detectors that use them. Namely the effect of the photon incidence angle in the Extraction Efficiency can be an important issue and there is few data in the literature about this aspect motivated us to do this work. In this work, an experimental system was designed, assembled and tested, and an experimental procedure was developed in order to study the influence of the photon incidence angle (between 0° and 50°) in the Extraction Efficiency of photocathodes. We performed this study for a Caesium Iodide photocathodes in Xenon at different pressures (between ½ and 5 bar). It was found that the Relative Extraction Efficiency increases with the increase of the photon incidence angle for all the pressures and applied reduced electric fields, showing a behavior that is independent of the pressure of the gas and of the applied reduced electric field. It was also found that the variation of the Relative Extraction Efficiency with the reduced electric field presented the same behavior for all the photon incidence angle.

Os fotocátodos são amplamente utilizados em deteção de radiação, uma vez que convertem fotões em eletrões através de efeito fotoelétrico. Uma das suas características mais importantes é a sua Eficiência Quântica que é definida como a razão entre o número de fotões que nele incidem e o número de eletrões emitidos. Os gases nobres apresentam várias propriedades que lhes permitem ser escolhidos como meio de deteção para alguns tipos de detetores de radiação que também utilizam fotocátodos. Nestas condições os eletrões emitidos pelo fotocátodo interagem com o gás e isso pode alterar o número de fotoeletrões emitidos, fazendo com que seja mais coerente referirmo-nos a Eficiência de Extração do que a Eficiência Quântica. Assim, é importante estudar as características dos fotocátodos quando estes se encontram na presença de uma atmosfera gasosa para otimizar a performance dos detetores que os utilizam. Nomeadamente a dependência da Eficiência de Extração relativamente ao ângulo de incidência dos fotões pode ser uma questão importante além de que existe pouca informação disponível na literatura, o que motivou a realização deste trabalho. Neste trabalho, um sistema experimental foi desenhado, montado e testado, e um procedimento experimental foi desenvolvido com vista a estudar a influência do ângulo de incidência (entre 0° e 50°) na Eficiência de Extração de fotocátodos. Foram estudados fotocátodos de Iodeto de Césio em Xénon a diferentes pressões (entre ½ e 5 bar). Concluiu-se que a Eficiência de Extração Relativa aumenta com o aumento do ângulo de incidência dos fotões para todos as pressões e campos elétrico reduzidos aplicados, mostrando um comportamento que é independente da pressão do gás e do campo elétrico reduzido aplicado. Também se concluiu que a variação da Eficiência de Extração Relativa com o campo elétrico reduzido apresenta o mesmo comportamento para todos os ângulos de incidência dos fotões.