第五章真空光电器件ppt课件

1、5.1 5.1 光电阴极光电阴极任务根底：基于外光电效应的光电探测器件任务根底：基于外光电效应的光电探测器件构造特点：有一个真空管，其它元件都放在真空管中构造特点：有一个真空管，其它元件都放在真空管中分类：光电管和光电倍增管分类：光电管和光电倍增管 入射光辐射的光子能量足够大时，它和金入射光辐射的光子能量足够大时，它和金属或半导体资料中的电子相互作用的结果使电子从物质外表逸属或半导体资料中的电子相互作用的结果使电子从物质外表逸出，出，-光电发射效应。光电发射效应。在空间电场的作用下就会构成电流在空间电场的作用下就会构成电流光电发射体光电发射体-可以产生光电发射效应的物体可以产生光电发射效应的物

2、体光电阴极光电阴极-运用中光电发射体常和电源的阴极相连，所以称为运用中光电发射体常和电源的阴极相连，所以称为光电发射效应光电发射效应-1光照灵敏度光照灵敏度在一定的白光照射下，光电阴极光电流与入射的白光光通量在一定的白光照射下，光电阴极光电流与入射的白光光通量之比，也称为白光灵敏度或积分灵敏度之比，也称为白光灵敏度或积分灵敏度2色光灵敏度色光灵敏度当入射光波长为某一段波长范围的光时，当入射光波长为某一段波长范围的光时，光电阴极光电流与入射的光通量之比。光电阴极光电流与入射的光通量之比。经过加滤光片来实现，比如蓝光灵敏度、经过加滤光片来实现，比如蓝光灵敏度、红光灵敏度、红外灵敏度等红光灵敏度、红

3、外灵敏度等3光谱灵敏度光谱灵敏度确定波长的单色光照射时，光电阴极光电流与入射的光通量之确定波长的单色光照射时，光电阴极光电流与入射的光通量之比。比。 )(N)(NQPe入射的光子数与产生的电子数之比入射的光子数与产生的电子数之比 )(N)(NQPe量子效率与光谱灵敏度之间的关系量子效率与光谱灵敏度之间的关系光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射光波长的关系曲线光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射光波长的关系曲线由于电子热能较大，而能够逸出阴极外表，而产生热电子发射由于电子热能较大，而能够逸出阴极外表，而产生热电子发射室温下典型阴极每秒每平方米发射的热电子可室温下典型阴极每秒每平方米发射的热电子可

4、构成构成10-1610-17A/m2的电流的电流对于光电丈量而言是噪声对于光电丈量而言是噪声hv)(q)( Ieqhc)(S1240)(S透射型：透射型：光经过透明介质射向光电阴极，而电子从光光经过透明介质射向光电阴极，而电子从光电阴极的另一面发射出去电阴极的另一面发射出去光光电子电子反射型：反射型： 光照射到阴极上，电子从同一测射出光照射到阴极上，电子从同一测射出对阴极的厚度有要对阴极的厚度有要求求,不能太厚不能太厚光光电子电子阴极普阴极普通较厚通较厚具有良好的可见和近红外呼应具有良好的可见和近红外呼应透射型：透射型：3001200nm，反射型：，反射型：3001100nm在可见光区域灵敏度

5、较低，所以主要用于近红外探测在可见光区域灵敏度较低，所以主要用于近红外探测紫外和可见光区的灵敏度最高紫外和可见光区的灵敏度最高适宜于丈量较强的入射光适宜于丈量较强的入射光CsSb：锑和某一种碱金锑和某一种碱金属的化合物属的化合物锑和多种碱金属锑和多种碱金属的化合物的化合物具有高灵敏度的宽光谱呼应，红具有高灵敏度的宽光谱呼应，红外端可延伸到外端可延伸到930nm半导体光电阴极的光电子的逸出过程，半导体光电阴极的光电子的逸出过程，V0EE 价带价带导带导带E0ECEVEgE0thE)EE(Ecog电子亲合势电子亲合势AEPN负电子亲合势负电子亲合势-EOEOECECEVEVEOEOEAEAECEC

6、EVEV外表耗尽区外表耗尽区P PN N0负电子亲合势负电子亲合势coAEEE加速加速特点：特点：1量子效率高量子效率高-因其逸出深度高的多因其逸出深度高的多2光谱呼应率均匀，且光谱呼应延伸到红外光谱呼应率均匀，且光谱呼应延伸到红外正电子亲合势光电阴正电子亲合势光电阴极的阈值波长为极的阈值波长为)nm(EE1240Ag0负电子亲合势光电负电子亲合势光电阴极的阈值波长为阴极的阈值波长为)nm(E1240g03热电子发射小热电子发射小因负电子亲合势的光电资料的禁带宽度普通比较宽因负电子亲合势的光电资料的禁带宽度普通比较宽4光电子的能量集中光电子的能量集中-“日盲型光电阴极日盲型光电阴极CsTe(长

7、波限长波限0.32mCsI长波限长波限0.2m)目前比较常用的有目前比较常用的有5.2 5.2 光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管阴极阴极K K阳极阳极A AI IRLRLUoutUoutUbUb真空型真空型充气型：有充气型：有倍增作用倍增作用光电倍增管比光电管添加的电子光学系统和电子倍增极，因光电倍增管比光电管添加的电子光学系统和电子倍增极，因此极大地提高了灵敏度此极大地提高了灵敏度光电倍增管光电倍增管-是建立在光电子发射效应，二次电子发射是建立在光电子发射效应，二次电子发射效率应根底上，能将微弱光信号转换成光电子并将光电子效率应根底上，能将微弱光信号转换成光电子并将光电子数目放大的真空光

8、电发射器件。数目放大的真空光电发射器件。电子光学系统电子光学系统阴极阴极K KA A阳极阳极AU1U1U2U2U5U5U6U6U3U3D2D2U4U4D3D3D1D1D4D4D5D5每一倍增极之间的电压为每一倍增极之间的电压为50-150V50-150V。每每7-107-10个光子从光电阴极发射出个光子从光电阴极发射出1-31-3个电子。个电子。电子被加速打在倍增极上，每电子被加速打在倍增极上，每1 1个电子可以打出个电子可以打出3-63-6个电子。个电子。不断继续下去直到最后一个倍增极不断继续下去直到最后一个倍增极, ,电子数量到达电子数量到达105-108105-108，最后这些电子被吸引

9、到阳极构成电流输出。电流的大小正比于光阴极接受最后这些电子被吸引到阳极构成电流输出。电流的大小正比于光阴极接受的光子数目，即正比于探测器吸收的辐射通量或照度。的光子数目，即正比于探测器吸收的辐射通量或照度。任务原理任务原理反射式光反射式光电阴极电阴极透射式光透射式光电阴极电阴极硼硅玻璃：透射范围从硼硅玻璃：透射范围从300nm红外红外透紫外玻璃：可透过的最短波长为透紫外玻璃：可透过的最短波长为185nm，但化学稳定性，但化学稳定性较差较差-决议了入射光的透过情况决议了入射光的透过情况侧窗式侧窗式端窗式端窗式熔融石英：可透过的最短波长为熔融石英：可透过的最短波长为160nm蓝宝石：可透过的最短波

10、长为蓝宝石：可透过的最短波长为150nmMgF2: 可透过的最短波长为可透过的最短波长为115nm是指：阴极到第一是指：阴极到第一倍增极之间的电极倍增极之间的电极空间，包括光电阴空间，包括光电阴极、聚焦极、加速极、聚焦极、加速极及第一倍增极。极及第一倍增极。作用：作用：使光电子尽能够的聚集到第一倍增极使光电子尽能够的聚集到第一倍增极上上尽量使电子的渡越时间一样尽量使电子的渡越时间一样电子光学系统电子光学系统二次电子二次电子发射系数发射系数12NN资料吸收一次电子的能量，跃迁到高能态，脱离资料吸收一次电子的能量，跃迁到高能态，脱离原子的速缚，称为内二次电子原子的速缚，称为内二次电子内二次电子中速

11、度指向外表的电子向外表运动内二次电子中速度指向外表的电子向外表运动穿过外表势垒区发射到真空中穿过外表势垒区发射到真空中主要银氧和锑銫两种化合物，它们即可做光电发射资料，也可做二次电子主要银氧和锑銫两种化合物，它们即可做光电发射资料，也可做二次电子发射资料发射资料氧化物型，氧化镁、氧化钡氧化物型，氧化镁、氧化钡合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍负电子亲合势资料，如铯激活的磷化镓负电子亲合势资料，如铯激活的磷化镓普通为普通为3-63-6个个可达可达20-2520-25个个N1N1入射光子数入射光子数N2N2出射光电数出射光电数有聚焦型和非聚焦型两大类。有聚焦型和非聚焦型两

12、大类。聚焦型聚焦型-鼠笼式、盒栅式、直线聚焦式鼠笼式、盒栅式、直线聚焦式非聚焦型非聚焦型-百叶窗式、近贴栅网式、微通道百叶窗式、近贴栅网式、微通道板式板式AKUouUout t阴极阴极K KA A阳极阳极D2D2E=700-3000VE=700-3000VD3D3D1D1D4D4D5D5R6R6R3R3R2R2R R1 1R R4 4R5R5RLRLIPIP5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数阴极光谱灵敏度阴极光谱灵敏度窗口资料窗口资料光电阴极资料光电阴极资料阳极光谱灵敏度阳极光谱灵敏度光电倍增管放大系数光电倍增管放大系数l阴极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比阴极灵敏度

13、：阴极输出电流与入射光通量之比KKISIKIKI IK K阴极阴极K KA A阳极阳极AD2D3D1D4D5白光灵敏度白光灵敏度单色灵敏度，或光谱灵敏度单色灵敏度，或光谱灵敏度以阴极为一极，其它倍增极和阳极连在一同为一以阴极为一极，其它倍增极和阳极连在一同为一极，即无倍增时的光电流与入射辐射通量之比值。极，即无倍增时的光电流与入射辐射通量之比值。l阳极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比阳极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比PPIS I IP P白光灵敏度白光灵敏度蓝光灵敏度、红光灵敏度蓝光灵敏度、红光灵敏度各种单色灵敏度各种单色灵敏度光电倍增管正常任务下的总输出电流与入射辐射通光电倍增管正

14、常任务下的总输出电流与入射辐射通量之比值。量之比值。阴极阴极K KA A阳极阳极AU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5k12CUNN二次电子发射系数二次电子发射系数与极间电压的关系与极间电压的关系C是常数是常数k普通为普通为0.70.8设第一，第二、第三、设第一，第二、第三、第、第N极的倍增系数分别为：极的倍增系数分别为：N321,.,且电子光学系统的电子搜集率为：且电子光学系统的电子搜集率为：那么阳极光电电流和阴极电流的关系那么阳极光电电流和阴极电流的关系为为N321KP.II设各倍增系数都为设各倍增系数都为那么：那么：kNNUCKPIIM Nk)CU(NkNkNNE)1N(CkNN

15、)1NE(CkNAE正常任务形状下正常任务形状下,但无信号光照的情况下但无信号光照的情况下,阳极的电流输出阳极的电流输出1阴极的热电子发射是主要缘由。阴极的热电子发射是主要缘由。 只能经过降低阴极温度来减弱。只能经过降低阴极温度来减弱。2支撑电极的绝缘体的漏电。坚持清洁支撑电极的绝缘体的漏电。坚持清洁3高压电场产生离子反响高压电场产生离子反响,进而构成光反响进而构成光反响器件本身的散粒噪声：对于一些不延续的量器件本身的散粒噪声：对于一些不延续的量,如电子发射如电子发射,光子发射光子发射,电子流等电子流等,其发射率在平均值附近上下起伏其发射率在平均值附近上下起伏,而产而产生噪声生噪声器件本身的热

16、噪声器件本身的热噪声负载电阻的热噪声负载电阻的热噪声光电阴极和倍增极的闪烁噪声光电阴极和倍增极的闪烁噪声(1/f噪声噪声)fqI2i2n普通采用冷却的方法来抑制，但有几点要留意普通采用冷却的方法来抑制，但有几点要留意.光电阴极的光谱呼应曲线会随温度而变化，光电仪器定光电阴极的光谱呼应曲线会随温度而变化，光电仪器定标时的任务温度必需和丈量温度一样标时的任务温度必需和丈量温度一样光电阴极如光电阴极如CsSb)CsSb)的电阻会随温度下降而很快添加，的电阻会随温度下降而很快添加，结果光电流改动了阴极的电位分布，从而影响第一倍增极结果光电流改动了阴极的电位分布，从而影响第一倍增极的光电子搜集效率的光电

17、子搜集效率冷却时要防止光入射窗上凝结水汽，引起入射光线的散冷却时要防止光入射窗上凝结水汽，引起入射光线的散射，同样在管座上也易引起高压击穿和漏电流射，同样在管座上也易引起高压击穿和漏电流致冷温度不能过低，否那么能够会引起阴极和倍增极资致冷温度不能过低，否那么能够会引起阴极和倍增极资料的损坏，或者是玻壳封结处裂开料的损坏，或者是玻壳封结处裂开2 2阳极伏安特性曲线阳极伏安特性曲线2351015IA(A)IA(A)UP(V)5050100100相应于不同辐射通量值的阳极伏安相应于不同辐射通量值的阳极伏安特性示于图中，它表示阳极电流特性示于图中，它表示阳极电流 IP IP 对于最后一级倍增极和阳极间

18、的电对于最后一级倍增极和阳极间的电压压U U的关系。作此曲线时，其他各电的关系。作此曲线时，其他各电极的电压坚持恒定。极的电压坚持恒定。1 1阴极伏安特性曲线阴极伏安特性曲线2351015IK(nA)IK(nA)UK(V)5050100100它表示阴极电流它表示阴极电流 IK IK 与阴极与第一与阴极与第一倍增极之间电压的关系。倍增极之间电压的关系。-表征阳极电流与阴极光通量之间关系。表征阳极电流与阴极光通量之间关系。在一定的光照度范围内，光电倍增管的输出与在一定的光照度范围内，光电倍增管的输出与入射光功率坚持正比例关系，但是随着入射光入射光功率坚持正比例关系，但是随着入射光强的加强，在最后几

19、级倍增极上出现较大的电强的加强，在最后几级倍增极上出现较大的电流，倍增极的次级电子发射因大量发射电子而流，倍增极的次级电子发射因大量发射电子而出现疲劳效应，又由于较大的电流构成显著的出现疲劳效应，又由于较大的电流构成显著的空间电荷而使电子的加速受阻，因此使增益降空间电荷而使电子的加速受阻，因此使增益降低。低。任务在饱合区时信号会失真。任务在饱合区时信号会失真。IPIP线性区线性区饱合区饱合区5.4 光电倍增管的供电和信号输出电路光电倍增管的供电和信号输出电路5.4.1 高压电源高压电源要求稳定度在要求稳定度在0.01%0.05%之间之间5.4.2 高压分压电路高压分压电路-将高压分配在各极之间

20、的电路将高压分配在各极之间的电路阴极阴极K KA A阳极阳极D2D2E ED3D3D1D1D4D4D5D5R6R6R3R3R2R2R R1 1R R4 4R5R5IPIPbIA0bI-阴极阴极K KA A阳极阳极D2D2U UD3D3D1D1D4D4D5D5R6R6R3R3R2R2R R1 1R R4 4R5R5RLRLIPIPbICs阴极阴极K KA A阳极阳极D2D2U UD3D3D1D1D4D4D5D5R6R6R3R3R2R2R R1 1R R4 4R5R5UouUout tRLRLIPIP5.4.3 分压电流与输出线性的关系分压电流与输出线性的关系分压电流：流经分压电路的电流分压电流：

21、流经分压电路的电流bIA段：段：当入射光比较弱时，流经各分压电阻的电流差别当入射光比较弱时，流经各分压电阻的电流差别不大，所以此时成线性不大，所以此时成线性B段：段：当入射光再加强，前面几级所分得的电压明显增大，当入射光再加强，前面几级所分得的电压明显增大，使它们的二次电子发射系数增大，而这种改动又一步使它们的二次电子发射系数增大，而这种改动又一步步的被放大，所以使输出电流的放大倍数增大步的被放大，所以使输出电流的放大倍数增大C段：段：当入射光再加强，用电器上的电压降比较大，使最后一级与阳级之间的电当入射光再加强，用电器上的电压降比较大，使最后一级与阳级之间的电压被显著降低，使电子的搜集率大大

22、降低，从而进入饱和区压被显著降低，使电子的搜集率大大降低，从而进入饱和区bI普通光电流的最大直流输出为分压电流的普通光电流的最大直流输出为分压电流的1/201/50，从而使光，从而使光电流的改动不能对各分压电阻上的电压呵斥显著的影响电流的改动不能对各分压电阻上的电压呵斥显著的影响 要增大线性输出范围，通常采用两种方法：要增大线性输出范围，通常采用两种方法：减小分压电阻的阻值来添加分减小分压电阻的阻值来添加分压电流压电流在最后一倍增极和阳极之间运在最后一倍增极和阳极之间运用一只齐纳二极管，假设必要倒用一只齐纳二极管，假设必要倒数第二、第三极也可以运用数第二、第三极也可以运用5.4.4 信号输出方

23、式信号输出方式在频率呼应要求比较高的场所，负载电阻应尽量能够小一些在频率呼应要求比较高的场所，负载电阻应尽量能够小一些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的电压降在几伏以下在它上面的电压降在几伏以下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LscRC21fLinL0RR/RR0UfP0RIU 0+5.5 微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管微通道的陈列+高压电子入口电子出口微通道板的构造：微通道板是由成千微通道板的构造：微通道板是由成千上万个直径为上万个直径为1540m、长度为、长度为0.

24、61.6mm的微通道组成的，微通道的微通道组成的，微通道的内壁镀有高阻值的二次电子发射资的内壁镀有高阻值的二次电子发射资料。料。微通道板的任务原理微通道板的任务原理用微通道板替代传统光电倍增管中用微通道板替代传统光电倍增管中的电子倍增器的光电倍增管的电子倍增器的光电倍增管为了减小微通道内残存离子的影响，为了减小微通道内残存离子的影响，防止雪崩击穿中，通常运用防止雪崩击穿中，通常运用Z形的形的折线通道折线通道优点：优点：尺寸大为减少尺寸大为减少 呼应速度大大提高呼应速度大大提高5.6 光电倍增管的运用光电倍增管的运用5.6.1光谱丈量光谱丈量以其光谱呼应范围宽而被广泛运用于：消费过程控制、无素的

25、以其光谱呼应范围宽而被广泛运用于：消费过程控制、无素的测定、各种化学分析和冶金学分析仪器中测定、各种化学分析和冶金学分析仪器中5.6.2 极微弱光信号的丈量极微弱光信号的丈量-光子计数光子计数普通丈量范围为：普通丈量范围为：大于大于10-18W(每秒约每秒约10个个光子左右光子左右)，小于，小于10-14W(每秒约每秒约105个光子个光子)5.6.2 射线的探测射线的探测-将闪烁晶体与将闪烁晶体与光电倍增管结合光电倍增管结合在一同来丈量高在一同来丈量高能粒子能粒子xy1.1.假设某一光电倍增管的阴极是用半导体假设某一光电倍增管的阴极是用半导体GaAsGaAs做成，知做成，知GaAsGaAs的电子亲的电子亲合势为合势为4eV4eV，禁带宽度为，禁带宽度为1.4eV1.4eV，那么能使这种阴极产生电子发射的长波限，那么能使这种阴极产生电子发射的长波限是多少？假设经过外表处置，使阴极资料的有效电子亲合势变为是多少？假设经过外表处置，使阴极资料的有效电子亲合势变为-0.6eV-0.6e