光电检测技术 第五章

1、 v掌握内容掌握内容 光电检测技术中常用的光电发射器件原理和特性。光电检测技术中常用的光电发射器件原理和特性。 v理解内容理解内容 光电倍增管的输入输出电路光电倍增管的输入输出电路 v了解内容了解内容 光电倍增管的特性和其他光电发射器件光电倍增管的特性和其他光电发射器件 第五章第五章 光电发射器件光电发射器件 5.1 5.1 光电子发射效应光电子发射效应 5.2 5.2 光电管光电管 5.3 5.3 光电倍增管光电倍增管 5.4 5.4 各种光电探测器件的性能比较和应用选各种光电探测器件的性能比较和应用选 择择 第五章第五章 主要内容主要内容 在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外在光线作

2、用下，电子逸出物体表面向外发射称外 光电效应。光电效应。 光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个 光子具有的能量是：光子具有的能量是： Eh h J S 普朗克常数普朗克常数( ) ( ) 光的频率（光的频率（HzHz），波长短，频率高，能量），波长短，频率高，能量大 5.1 5.1 光电子发射效光电子发射效 应应 图图5 51 1 光电子发射过程光电子发射过程 (a)(a)金属光电子发射体金属光电子发射体 (b)(b)具有正电子亲和势的具有正电子亲和势的 半导体光电子发射体半导体光电子发射体 (c) (c) 具有负电子亲和势的半导体光电子发射体具

3、有负电子亲和势的半导体光电子发射体 外光电效外光电效应应 光电发射第一定律光电发射第一定律 当入射辐射的光谱分布不变时，当入射辐射的光谱分布不变时， 饱和光电流饱和光电流I I与入射的辐通量成正比。与入射的辐通量成正比。 光电发射第二定律光电发射第二定律 发射的光电子的最大动能随入射发射的光电子的最大动能随入射 光子光频率的增加而线性地增加，而与人射光的强度光子光频率的增加而线性地增加，而与人射光的强度 无关。该定律为爱因斯坦发现，故又称爱因斯坦定律，无关。该定律为爱因斯坦发现，故又称爱因斯坦定律， 表达式为表达式为 1/2mv1/2mvmax max2 2 = h- = h- 式中式中 m

4、m为光电子的质量；为光电子的质量；v vmax max为出射光电子的最大速 为出射光电子的最大速 度；度；为光频率；为光频率；为发射体材料的逸出功。为发射体材料的逸出功。 公式表明：入射光子的能量必须大于物体的逸出功，才公式表明：入射光子的能量必须大于物体的逸出功，才 能使电子有足够的动能逸出表面。能使电子有足够的动能逸出表面。 外光电效应外光电效应 两个基本定律两个基本定律 讨论：讨论： 产生一个光电子必须克服材料表面对其束缚的能产生一个光电子必须克服材料表面对其束缚的能 量。量。 光电子的动能与照射光的强度无关，仅随入射光光电子的动能与照射光的强度无关，仅随入射光 的频率增加而增加。的频率

5、增加而增加。 在临界情况下，当电子逸出材料表面后，能量全在临界情况下，当电子逸出材料表面后，能量全 部耗尽而速度减为零，即部耗尽而速度减为零，即v=0v=0，E Ek k=0=0，则，则=/ =/ h=h=0 0。也就是说当入射光频率为。也就是说当入射光频率为0 0时，光电子时，光电子 刚刚能逸出表面；当光频刚刚能逸出表面；当光频 0 0时，则无论光通量时，则无论光通量 多大。也不会有光电子产生。多大。也不会有光电子产生。 0 0称为光电子发射称为光电子发射 效应的低频限。这就是外光电效应光电探测器的光效应的低频限。这就是外光电效应光电探测器的光 谱响应表现出选择性的物理基础。谱响应表现出选择

6、性的物理基础。 外光电效应外光电效应 R UI光强 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E E 大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A（E EA A），会有电子逸出产生），会有电子逸出产生 电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，电子发射。电子被带有正电的阳极吸引， 在光电管内形成电子流，在光电管内形成电子流， 电流在回路电阻电流在回路电阻R R上产生上产生 正比于电流大小的压降。正比于电流大小的压降。 因此因此 5.2 5.2 光电管光电管 光电管光电管 光电管光电管 主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速度快主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速度快 和

7、噪音小。它们都有光电阴极、阳极和真空管壳组和噪音小。它们都有光电阴极、阳极和真空管壳组 成，是一种电流放大器件。成，是一种电流放大器件。 尤其是光电倍增管具有很高的电流增益，特别尤其是光电倍增管具有很高的电流增益，特别 适用于微弱光信号的探测；它的缺点是结构复杂，适用于微弱光信号的探测；它的缺点是结构复杂， 工作电压高体积较大；一系列型号的光电管和光工作电压高体积较大；一系列型号的光电管和光 电倍增管，覆盖了从近紫外光到近红外光的整个光电倍增管，覆盖了从近紫外光到近红外光的整个光 谱区。谱区。 5.3 5.3 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管内电子的倍增主要靠选择良好的倍

8、光电倍增管内电子的倍增主要靠选择良好的倍 增极的材料、对倍增极材料要求具有耐撞击、增极的材料、对倍增极材料要求具有耐撞击、 稳定性好、使用温度高等特点稳定性好、使用温度高等特点 光电倍增管的结构光电倍增管的结构 图图 几种常见光电倍增管的结构几种常见光电倍增管的结构 聚焦光栅 光电层 光 云母屏蔽板阳极 玻璃真空管 阴极倍增极阳极 阴极 倍增极阳极 阳极 聚焦电极 倍增极 导电层 端窗 聚焦环 光阴极 入射光 (a)(b) (c) (d) 光电倍增管光电倍增管 图图 几种光电倍增管的外形几种光电倍增管的外形 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管是利用二次光电倍增管是利用二次

9、电子释放效应，高速电子撞电子释放效应，高速电子撞 击固体表面，发出二次电子，击固体表面，发出二次电子， 将光电流在管内进行放大。将光电流在管内进行放大。 光电倍增管的工作原理光电倍增管的工作原理 (1)(1)光子透过入射窗口入射在光电阴极上；（光子透过入射窗口入射在光电阴极上；（2 2）光电）光电 阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中；阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中； （3 3）光电子通过电场的加速和电子光学系统聚焦入）光电子通过电场的加速和电子光学系统聚焦入 射到第一个倍增极上，由于光电子能量很大，它打射到第一个倍增极上，由于光电子能量很大，它打 在倍增极上时就又激发出数目

10、更多的二次光电子；在倍增极上时就又激发出数目更多的二次光电子； 在电场的作用下，二次光电子又打在第二个倍增极在电场的作用下，二次光电子又打在第二个倍增极 D2D2上又引起一次二次电子发射；如此继续下去，电上又引起一次二次电子发射；如此继续下去，电 子流迅速倍增；（子流迅速倍增；（4 4）最后经过倍增后的二次电子被）最后经过倍增后的二次电子被 阳极收集，形成阳极光电流。收集的阳极电子流比阳极收集，形成阳极光电流。收集的阳极电子流比 阴极的电子流一般大阴极的电子流一般大10102 210105 5倍。倍。 工作过程工作过程 光电倍增管光电倍增管 （1 1） 灵敏度灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管的一

11、个重要参数；灵敏度是衡量光电倍增管的一个重要参数； 光电倍增管的灵敏度一般包括光谱响应、阴光电倍增管的灵敏度一般包括光谱响应、阴 极灵敏度和阳极灵敏度；极灵敏度和阳极灵敏度； 阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材 料性质。料性质。 阳极的灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍阳极的灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍 增管放大倍数或称为内增益的乘积，而其光谱增管放大倍数或称为内增益的乘积，而其光谱 响应曲线基本上与阴极的。响应曲线基本上与阴极的。 主要特性参数主要特性参数 K K I S 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管光电倍增管 （2 2）放大倍数）放大

12、倍数( (电流增益电流增益) ) 定义：定义：A=IP / IK 光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极 （10个左右），在阳极和阴极之间加有几百上千伏个左右），在阳极和阴极之间加有几百上千伏 的高压，每个倍增极间有的高压，每个倍增极间有100200V高压，电流增益在高压，电流增益在 105数量级。数量级。 A A与倍增极的电子收集率和二次电子发射系数有关与倍增极的电子收集率和二次电子发射系数有关 上式可见，外加电压上式可见，外加电压U Ud d的变化引起光电倍增管增益的变化引起光电倍增管增益 的变化，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要的变化

13、，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要 求较高，必须有极好的稳定性。求较高，必须有极好的稳定性。 另外，为减少光电倍增管受温度影响，在核探测技术另外，为减少光电倍增管受温度影响，在核探测技术 中中“稳谱稳谱”是一个重要内容，与光电倍增管的指标、参是一个重要内容，与光电倍增管的指标、参 数密切相关。数密切相关。 光电倍增管光电倍增管 （2 2）放大倍数）放大倍数( (电流增益电流增益) ) 倍增极外加电压倍增极外加电压U Ud d与增益与增益A A的关系近似为：的关系近似为：A=BUA=BUd dn n 式中：式中：B B 常数常数 n n 光电倍增管倍增极数光电倍增管倍增极数 增益变化为：增益

14、变化为： U dU Kn A dA 光电倍增管的光谱响应度曲线光电倍增管的光谱响应度曲线 就是光电阴极的光谱响应度曲线：就是光电阴极的光谱响应度曲线： 它主要取决于光电阴极的材料。它主要取决于光电阴极的材料。 光电倍增管光电倍增管 （3 3）光谱响应度）光谱响应度 指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的 阳极电流。暗电流决定光电倍增管的极限灵敏度。阳极电流。暗电流决定光电倍增管的极限灵敏度。 暗电流主要由热电子发射、极间漏电流、残余气暗电流主要由热电子发射、极间漏电流、残余气 体的离子发射、玻璃闪烁、场致发射等组成。体的离子发射、玻璃闪烁、场致发射

15、等组成。 暗电流的产生与电源电压有密切关系，在低电压暗电流的产生与电源电压有密切关系，在低电压 时，暗电流由漏电流决定；电压较高时，主要是热电时，暗电流由漏电流决定；电压较高时，主要是热电 子发射；电压再大，则导致场致发射和残余气体的离子发射；电压再大，则导致场致发射和残余气体的离 子发射，使暗电流急剧增加，甚至可能发生自持放电。子发射，使暗电流急剧增加，甚至可能发生自持放电。 实际使用中，为了得到比较高的信噪比，所加的电源实际使用中，为了得到比较高的信噪比，所加的电源 电压必须适当，一般工作在电压必须适当，一般工作在7007001500V1500V。 减少暗电流的方法有：直流补偿、选频和锁相

16、放大、减少暗电流的方法有：直流补偿、选频和锁相放大、 制冷、电磁屏蔽、磁场散焦法。制冷、电磁屏蔽、磁场散焦法。 （4 4）暗电流）暗电流 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管光电倍增管 （5 5） 时间响应时间响应 描述光电倍增管的时间特性有三个参数：描述光电倍增管的时间特性有三个参数： 响应时间响应时间: :阳极电流脉冲幅度从最大值的阳极电流脉冲幅度从最大值的10%10%上上 升升 到到90%90%所经过的时间定义为响应时间。所经过的时间定义为响应时间。 渡越时间渡越时间: :从从函数光脉冲的顶点到阳极电流函数光脉冲的顶点到阳极电流 输出输出 最大值所经历的时间定义为渡越时最大值所经历的时间定义

17、为渡越时 间。间。 渡越时间分散渡越时间分散( (散差散差):):由于电子初速度不同，由于电子初速度不同， 电子电子 透镜场分布不一样，电子走过的路透镜场分布不一样，电子走过的路 不不 同，在重复光脉冲输入时，渡越时同，在重复光脉冲输入时，渡越时 间每间每 次略有不同，有一定起伏，此称为次略有不同，有一定起伏，此称为 渡越渡越 时间分散时间分散( (散差散差) )。渡越时间分散代。渡越时间分散代 表时表时 间分辨率。间分辨率。 （6 6） 噪声噪声 光电倍增管的噪声主要有热噪声、闪烁噪声、光电倍增管的噪声主要有热噪声、闪烁噪声、 散粒噪声及低频噪声等。其中起主导作用的是散散粒噪声及低频噪声等。

18、其中起主导作用的是散 粒噪声。粒噪声。 （7 7）伏安特性）伏安特性 分为阴极和阳极伏安特性分为阴极和阳极伏安特性 光电倍增管光电倍增管 产生非线性的因素有：产生非线性的因素有： 内因：空间电荷、光电阴极的电阻率、聚内因：空间电荷、光电阴极的电阻率、聚 焦或收集效率的变化。焦或收集效率的变化。 外因：由于信号电流造成负载电阻的负反外因：由于信号电流造成负载电阻的负反 馈和电压的再分配。馈和电压的再分配。 （8 8）线性）线性 表示它的光电特性，是光电测量系统中的表示它的光电特性，是光电测量系统中的 一个重要指标。不仅与光电倍增管的结构有关，一个重要指标。不仅与光电倍增管的结构有关， 很大程度上

19、还取决于外部的高压供电电路及信很大程度上还取决于外部的高压供电电路及信 号输出电路。号输出电路。 光电倍增管光电倍增管 （9 9） 稳定性稳定性 主要是指阳极电流随工作时间的变化。主要是指阳极电流随工作时间的变化。 主要表现在两方面：主要表现在两方面： 在长期工作过程中，灵敏度的慢漂移。在长期工作过程中，灵敏度的慢漂移。 滞后效应滞后效应 光电倍增管光电倍增管 （1 1）高压供电）高压供电 电压极性电压极性( (正、负高压之分）；线性供电方式；脉冲信正、负高压之分）；线性供电方式；脉冲信 号工作方式。号工作方式。 阳极接地，负高压供电阳极接地，负高压供电: : 可消除外部信号输出电路与阳极之间

20、的电位差。可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差。 供电电路供电电路 光电倍增管光电倍增管 阳极接地带来的问题：阳极接地带来的问题： 由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接地，由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接地， 它们与阴极和倍增极之间存在比较高的电位差，结它们与阴极和倍增极之间存在比较高的电位差，结 果使某些光电子打到玻壳上产生噪声；果使某些光电子打到玻壳上产生噪声； 如果靠近光电阴极的端面或玻壳接地，具有高负如果靠近光电阴极的端面或玻壳接地，具有高负 电位的阴极与地之间就会产生漏电流。电位的阴极与地之间就会产生漏电流。 阴极接地：阴极接地： 使用耐高压的耦合电容来输出信号，也可将外

21、使用耐高压的耦合电容来输出信号，也可将外 部信号电路与阳极高压电源隔开。部信号电路与阳极高压电源隔开。 只适用于交流或脉冲信号测量系统。只适用于交流或脉冲信号测量系统。 光电倍增管光电倍增管 （2 2 ）信号输出）信号输出 光电倍增管的截止频率：光电倍增管的截止频率： f fc c=1/2=1/2 CRCRL L 负载电阻输出：负载电阻输出： 光电倍增管内阻很高，可视为恒流源。在同样光电倍增管内阻很高，可视为恒流源。在同样 光功率输入时光功率输入时 R RL L时，输出电压增高；时，输出电压增高； R RL L增大，阳极和末极倍增极之间的电压下降，增大，阳极和末极倍增极之间的电压下降， 会会

22、出现空间电荷效应，降低阳极的电子收集率，引起出现空间电荷效应，降低阳极的电子收集率，引起 非非 线性。线性。 光电倍增管光电倍增管 在脉冲工作时，要考虑极间电容和杂散电容在脉冲工作时，要考虑极间电容和杂散电容( (即阳即阳 极对地电容极对地电容) )影响，影响，R RL L值过大也会影响脉冲上升沿和值过大也会影响脉冲上升沿和 脉宽。脉宽。 R RL L值太大时热噪声会增加。因此值太大时热噪声会增加。因此R RL L值一般由实值一般由实 验确定最佳值。选择负载电阻的建议：验确定最佳值。选择负载电阻的建议： l在频响要求比较高的场合，负载电阻应尽可能小一在频响要求比较高的场合，负载电阻应尽可能小一

23、 些。些。 l当输出信号的线性要求较高时，选择的负载电阻应当输出信号的线性要求较高时，选择的负载电阻应 使信号电流在它上面产生的压降在几付以下。使信号电流在它上面产生的压降在几付以下。 l负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多。负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多。 光电倍增管光电倍增管 为有效提高其效率，适当加大为有效提高其效率，适当加大R RL L ，中间各级采，中间各级采 用均匀分压，用均匀分压， R RL L的提高可改善脉冲前沿，对快速光的提高可改善脉冲前沿，对快速光 脉冲探测有益。（受到较大阳极电流的限制：小于脉冲探测有益。（受到较大阳极电流的限制：小于 分压器电流的分压器电流的1%1%）

24、 运算放大器输出：运算放大器输出： 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管的选择光电倍增管的选择 一般应考虑所选管型与待测光的光谱响应应一致，一般应考虑所选管型与待测光的光谱响应应一致， 因此选择适当的光阴极是主要的；因此选择适当的光阴极是主要的； 对低能和弱光的探测应采用阴极灵敏度高与暗电对低能和弱光的探测应采用阴极灵敏度高与暗电 流小、噪声低的管子；流小、噪声低的管子； 阴极尺寸的选择取决于光信号照射到阴极上的面阴极尺寸的选择取决于光信号照射到阴极上的面 积，光束窄可选用小阴汲直径的管子，通常阴极大积，光束窄可选用小阴汲直径的管子，通常阴极大 小决定于光电倍增管的大小；小决定于光电倍增管的大小；

25、 阳极灵敏度的确定是根据入射到光电阴极的光通阳极灵敏度的确定是根据入射到光电阴极的光通 量和需要输出的信号大小估算而得；量和需要输出的信号大小估算而得； 除此之外还应考虑耐震、高温等条件。除此之外还应考虑耐震、高温等条件。 光电倍增管的使用光电倍增管的使用 光电倍增管光电倍增管 正确使用光电倍增管，应该注意：正确使用光电倍增管，应该注意： 阳极电流应不超过阳极电流应不超过1uA1uA，可以减缓疲劳和老化效应，可以减缓疲劳和老化效应， 减少负载电阻反馈和分压器电压再分配效应。减少负载电阻反馈和分压器电压再分配效应。 电压分压器中流过的电流至少应大于期望的最大阳极电压分压器中流过的电流至少应大于期

26、望的最大阳极 电流电流10001000被，即被，即1mA1mA，但是不必过分加大，以免发热。，但是不必过分加大，以免发热。 高压电源的稳定性必须为所需测量精度的高压电源的稳定性必须为所需测量精度的1010倍左右，倍左右， 对电压的纹波系数也应有所规定，一般应小于对电压的纹波系数也应有所规定，一般应小于0.001%0.001%。 阴极和第一倍增级之间，以及末级倍增级和阳极之间阴极和第一倍增级之间，以及末级倍增级和阳极之间 的级间电压应设计得与总电压无关。的级间电压应设计得与总电压无关。 光电倍增管的输出信号采用运算放大器作电流电压变光电倍增管的输出信号采用运算放大器作电流电压变 换，以获得高的信

27、噪比和好的线性。换，以获得高的信噪比和好的线性。 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管的使用光电倍增管的使用 应采取电磁屏蔽，最好使屏蔽筒与阴极处于相同应采取电磁屏蔽，最好使屏蔽筒与阴极处于相同 电位。电位。 光电倍增管应储存在黑暗中，使用前最好先接通光电倍增管应储存在黑暗中，使用前最好先接通 高压电源，在黑暗中存放几小时。高压电源，在黑暗中存放几小时。 测量很弱的辐射时，光电倍增管的冷却温度一般测量很弱的辐射时，光电倍增管的冷却温度一般 取取-2-2摄氏度。摄氏度。 最好在光电阴极前放置优质的漫射器，可减少因最好在光电阴极前放置优质的漫射器，可减少因 光阴极区域灵敏度不同而引起的误差。光阴极区域

28、灵敏度不同而引起的误差。 为得到最稳定的相对光谱灵敏度，光电倍增管应为得到最稳定的相对光谱灵敏度，光电倍增管应 让其自然老化数年。让其自然老化数年。 制造厂、参考书所提供的数据均是典型值，光电制造厂、参考书所提供的数据均是典型值，光电 倍增管参数的离散性很大，要获得确切的数据，倍增管参数的离散性很大，要获得确切的数据， 只能逐个测定。只能逐个测定。 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管的使用光电倍增管的使用 （1 1）光谱测量）光谱测量 （2 2）极微弱光信号的探测）极微弱光信号的探测光子计数光子计数 （3 3）射线的探测）射线的探测 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管的应用光电倍增管的应用 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管的应用光电倍增管的应用 （1）核仪器测量中的谱线漂移）核仪器测量中的谱线漂移 （2）极微弱光信号的探测）极微弱光信号的探测光子计数