华中科技大学《光电探测》3光电子发射探测器

1、3光电子发射探测器光电子发射探测器 真空光电器件是基于外光电效应（光电子发射 效应）制成的光电探测器。 Photoemissive：简称PE探测器 真空光电器件 光电管 光电倍增管 特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小 探测微弱信号 缺点：结构复杂，工作电压高，体积大 3.1 光电阴极 一、光电阴极的主要参数 1.灵敏度 光照灵敏度: 光谱灵敏度 在光电子发射探测器中，具有光电子发射效 应的材料称为光电阴极。 完成光电转换的功能 光电阴极材料的性能的好坏直接决定探测器 的性能。 .量子效率 它表示一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴 极所发射的光电子数Ne()与入射的光子数Np()之

2、比。也称量子产额Q() 3.光谱响应曲线 .热电子发射： 引起噪声，限制探测灵敏度 二、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极 350nm, 800nm 三、单碱锑化物光电阴极 金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一 种化合，能形成具有稳定光电发射的发射体。 最常用的是锑化铯，其阴极灵敏度最高，广 泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。 四、多碱锑化物光电阴极 当锑和几种碱金属形成化合物时， 具有更高的响应率 五、紫外光电阴极 通常来说对可见光灵敏的光电阴极对紫外光也 有较高的量子效率。有时，为了消除背景辐射 的影响，要求光电阴极只对所探测的紫外辐射 信号灵敏，而对可见光无响应。 这样的光电阴极有碲化

3、铯(CsTe, 320nm)和碘化 铯(CsI, 200nm) 六、负电子亲和势光电阴极 电子亲和势是指半导体导带底部到真空能 级间的能量值，表示了发生光电效应时，电子 逸出的难易程度。 常规的光电阴极属于正电子亲和势(PEA) 类型，即表面的真空能级位于导带之上。 如果给半导体的表面作特殊处理，使表面 区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下，从 而使有效的电子亲和势为负值，经过特殊处理 的阴极称作负电子亲和势光电阴极(NEA)。 EA1 Eg1 Eg2 EA2 Ev1 Ec1 E0 Ec2 Ev2 Si Cs2O Ev1 EC1 Ef EAe E0 Ed EA2 Ev2 + + + - - -

4、 Si-CsO2光电阴极：在p型Si 基上涂一层金属Cs，经过特 殊处理而形成n型Cs2O。 在交界区形成耗尽层，耗尽 区的电位下降Ed,造成能带 弯曲。 对于P型Si的发射阈值是 Ed1=EA1+Eg1,电子进入导带后需 要克服亲和势EA1才能逸出表面。 从Si的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此 时，电子只需克服EA2就能逸出表面。对于P型Si 的光电子需克服的有效亲和势为 EAe=EA2-Ed 由于能级弯曲，使EdEA2,这样就形成了负电子亲 和势。 负电子亲和势阴极与正电子亲和势阴极的区别： 1.参与发射的电子是导带的热化电子，或称为 “冷”电子； .NEA阴极中导带的电子逸入真

5、空不需作功。 特点：特点： 1.高吸收，低反射性质； 2.高量子效率，50%60%, 长波到达9%; 3.光谱响应可以达到1m以上； 4.冷电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布 5.光谱响应平坦； 6.暗电流小； 7.在可见、红外区，能获得高响应度； 8.工艺复杂，售价昂贵。 3.2 光电管与光电倍增管的工作原理 一、真空光电管一、真空光电管 1、结构与工作原理 真空光电管构造示意图真空光电管构造示意图 真空光电管由玻壳、 光电阴极和阳极三部 分组成 。 光电阴极光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内 壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极阳极是金 属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的

6、 高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。 优点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积 分灵敏度可达20200A/lm；暗电流小，最低 可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。 缺点：真空光电管体积大、 工作电压高,达百伏到数百伏、 玻壳容易破碎等 二、光电倍增管二、光电倍增管 1、光电倍增管组成及工作原理 光电倍增管由五个主要部分组成： 光窗、光电阴极、电子光学系统、 电子倍增系统和阳极。 工作原理： 1.光子透过入射窗口入射在光电阴极上; 2.光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发 射到真空中; 3.光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入 射到第一倍增级上，倍增级将发射出比入射电 子数目更多的

7、二次电子二次电子。入射电子经N级倍增 极倍增后，光电子就放大N次； 4.经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳 极光电流。 光电倍增管工作原理图 .入射窗口和光电阴极结构入射窗口和光电阴极结构 硼硅玻璃硼硅玻璃 这是一种常用的玻璃材料，可以透过从近红 外至300nm的入射光，但不适合于紫外区的探测。无钾 玻璃中只有极低含量的钾，其中的K40会造成暗计数。 所以通常用于闪烁计数的光电倍增管不仅入射窗，而且 玻璃侧管也使用无钾玻璃，就是为了降低暗计数 透紫玻璃（透紫玻璃（UVUV玻璃）玻璃） 这种玻璃材料就象其名字所表达 的那样，可以很好地透过紫外光，和硼硅玻璃一样被广 泛使用。分光应用领域一般都

8、要求用透紫玻璃，其截止 波长可接近185nm。 窗口材料 合成石英合成石英合成石英可以将透过的紫外光波长延伸至 160nm，并且在紫外区比熔融石英玻璃有更低的吸收。合 成石英材料的膨胀系数与芯柱用玻璃的膨胀系数有很大差 别，所以，用热膨胀系数渐变的封接材料与合成石英逐渐 过渡。因此，此类光电倍增管的强度易受外界震动的破坏， 使用中要采取足够的保护措施。 氟化镁（镁氟化物）氟化镁（镁氟化物）该材料具有极好的紫外线透过性，但 同时也有易潮解的不利因素。尽管如此，氟化镁仍以其接 近115nm的紫外透过能力而成为一种实用的光窗材料。 .电子光学系统 电子光学系统是适当设计的电极结构， 作用：使前一级发

9、射出来的电子尽可能没有散失地落到 下一个倍增极上，即使下一级的收集率接近1； 并使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经 历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。 4.电子倍增极电子倍增极 二次电子发射：具有足够动能的电子轰击某些材 料时，材料表面将发射新的电子。 二次发射系数：二次发射的电子数N2与入射的一 次电子数N1的比值 1 2 N N 倍增级结构 现在使用的电子倍增系统主要有以下几类： 环形聚焦型环形聚焦型 环形聚焦型结构主要应用于侧窗型光电倍增 管。其主要特点为紧凑的结构和快速时间响应特性。 盒栅型盒栅型 这种结构包括了一系列的四分之一圆柱形 的倍增极，并因其相对简单的倍增极

10、结构和一致性的 改良而被广泛地应用于端窗型光电倍增管，但在一些 应用中，其时间响应可能略显缓慢。 直线聚焦型直线聚焦型直线聚焦型因其极快的时间响应而被 广泛地应用于要求时间分辨和线性脉冲研究用 的端窗型光电倍增管中。 百叶窗型百叶窗型百叶窗型结构因倍增极可以较大而被用于大 阴极的光电倍增管中，其一致性较好，可以有大的脉 冲输出电流。这种结构多用于不太要求时间响应的场 合。 细网型细网型 细网型结构拥有封闭的精密组合的网状倍增 极，而使其具有极强的抗磁性、一致性和脉冲线性输出特 性。另外，当使用交叠阳极或多阳极结构输出情况下，还 具有位置灵敏特性。 微通道板（微通道板（MCPMCP）型）型 MC

11、P是上百万的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成为 薄形盘片状而形成。每个通道都是一个独立的电子倍增 器。MCP比任何分离电极倍增极结构具有超快的时间响 应，并且当采用多阳极输出结构时，在磁场中仍具有良 好的一致性和二维探测能力。 5.阳极 阳极作用是接收从末级倍增极发射出的二次电 子，通过引线向外输出电流。对于阳极的结构 要求具有较高的电子收集率，能承受较大的电 流密度，并且在阳极附近的空间不至于产生空 间电荷效应 3.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数 一、灵敏度一、灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个 重要参数 光谱响应阴极灵敏度阳极灵敏度 阴极光照灵敏度：阴

12、极光照灵敏度： 阴极输出光电流Ik与入射到光电阴极面上的光通 量之比： k k I S G V +HV E A EA II S kk k 10-510-2 lm 阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度 表示光电倍增管在接收分布温度为2856K的光辐射 时阳极输出电流与入射光通量的比值： p p I S G VHV E A 10-1010-6 lm 二、放大倍数二、放大倍数( (增益增益) ) 光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流，可以放大 成较大的阳极输出电流： 二次电子发射，产生多于光电子数目的电子流。 连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射 被阳极收集，从而达到了电流放大的作用。 电流增

13、益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电 流的比值流的比值。 在理想情况下，具有n个倍增极，每个倍增极的平均二次 电子发射率为的光电倍增管的电流增益为 n。二次电子 发射率由下式给出： 8 . 07 . 0, CV 这里的C为一常数，V为极间电压，为一由倍增极材料 及其几何结构决定的系数，的数值一般介于0.7和0.8 之间。 如果光电倍增有n级倍增级，那么光电阴极发射 的光电流经过各级倍增极倍增后，从阳极输出的 电流: )()( 22110nnkp II 为电子光学系统的收集率； . n 倍增极的电子收集率 1 2 n倍增极二次电子发射系数

14、 设阳极电子收集率为1， 如果各倍增极的电子收 集率和二次电子发射系 数，那么光电倍增管的 放大倍数 knnk n k p AV n V C I I M ) 1 ( )( 0 0 k p S S M 放大倍数也可以表示为 V dV kn M dM 三、暗电流三、暗电流 暗电流是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 暗 电 流 组 成 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 减 小 暗 电 流 的 方 法 直流补偿 选频和锁相放大 致冷 电磁屏蔽法 磁场散焦法 PMT 四、噪声 散粒噪声 闪烁噪声 电阻热噪声 五、伏安特

15、性 .阴极伏安特性 当入射光通量一定时，阴极光电流与阴 极和第一倍增极之间的电压关系. Ik(nA) 3 1 2 Vk(V) 2.阳极伏安特性 当入射光通量一定时，阳极光电流与最后 一级倍增极和阳极之间的电压关系 Ik(uA) 3 1 2 Vp(V) 六、线性 造成非线性的原因: (1)内因空间电荷、光电阴极的电阻率、 聚集或收集率的变化； (2)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。 七、稳定性 稳定性是指阳极电流随工作时间的变化，它在闪 烁记数和光度测量中显得很重要。 .灵敏度的慢漂移 2.滞后效应 八、响应时间： 入射光变化 输出电信号的变化 1. 上升时间 2. 渡越时

16、间 九、磁场特性 磁场变化时，光电子运动轨迹的偏移 3.4 光电倍增管的供电和信号输出电路 一、高压供电 .供电电压的极性 阳极接地负高压供电：阳极接地负高压供电：阳极信号输出方便， 可以直流输出。但由于阴极屏蔽困难，阳 极输出暗电流和噪声较大。 阴极接地的正高压供电：阴极接地的正高压供电：阳极信号输出 必须通过耐高压、噪声小的隔直流电容 器，因此只能输出交流信号。但可以得 到较低的暗电流和噪声。 、分压器设计 G K P R1R2R3R4R5R7R6 1.DC输出型 理想曲线 真实曲线 入射光通量 输出电流与分 压器电流比 2脉冲输出型 G K P R1R2R3R4R5R7R6 二、信号输出

17、 光电倍增管输出一个电流信号，而与其相联 的后续电路，一般是基于电压信号而设计的，因 此，常用一个负载电阻来完成电流-电压的转换。 在此，我们来研究一下负载电阻的选取。由于光 电倍增管输出电流很小，而且实际上常常将其看 作一个恒流源，因此，一般认为负载电阻可以任 意大地选取，从而从一个较低的电流信号，得到 一个很高的电压信号。但是实际上，较大的负载 电阻会导致频率响应和输出线性的恶化。 若负载电阻为RL，光电倍增管阳极和其它电极之 间的静电电容量以及由于布线等引起的杂散电容 量的总和为Cs，则截止频率fc： 上式可以看到，尽管光电倍增管和放大器有极快的 响应时间，输出线路响应也将受到截止频率f

18、c的限 制。如果负载电阻RL值较高，在较高输出电流情况 下，负载电阻将导致阳极电位电压降增大，造成阳 极-末倍增极电压降低，从而降低了输出线性（输 出电流与入射光的比例关系）。 Ls c RC f 2 1 .运算放大器输出 PMT V Rf Cf pf IRV 0 输出的电压 这是一个由运算放大器构成 的IV(电流电压)转换器 3.5 光电倍增管的应用 一、光谱学光谱学-利用光吸收原理利用光吸收原理 1.1.紫外紫外/可见可见/近红外分光光度计近红外分光光度计 光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分 能量，称为吸收。 利用吸收进行定量分析:为确定样品物质的量，采用连 续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通 过被测物质前后的强度，即可得到被测物质吸收程度， 计算出物质的量。 2.2.原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计 广泛地应用于微量金属元素的分析。 对应于分析的各种元素，需要专用的元素灯，照 射燃烧并雾化分离成原子状态的被测物质上，用 光电倍增管检测光被吸收的强度，并与预先得到 的标准样品比较。 二、利