光电技术第6讲 ppt课件

1、真空光电器件是基于外光电效应的光电探测器。光电发射器件光电发射器件 Photoemissive Device Photoemissive Device 真空光电器件光电管光电倍增管特点：灵敏度高、稳定性好、呼应速度快和噪声小缺陷：构造复杂，任务电压高，体积大4.1 光电发射阴极 4.1.1 4.1.1 光电发射阴极的主要参数光电发射阴极的主要参数 光电发射阴极的主要特性参数为灵敏度、量子效率、光谱呼应和暗电流等。1. 灵敏度 光电发射阴极的灵敏度应包括光谱灵敏度、积分灵敏度和色光灵敏度。 1) 光谱灵敏度 定义在单色单一波长辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与单色辐射通量e,之比为光电

2、阴极的光谱灵敏度Se,。,ke,eIS其量纲为A/W或A/W。量纲为mA/W或A/W。ekIIS0e,ked 2) 积分灵敏度定义：在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与入射辐射通量e之比为光电阴极的积分灵敏度Se。在可见光波长范围内的“白光作用于光电阴极时，光电阴极电流Ik与入射光通量v之比为光电阴极的白光灵敏度Sv。量纲为mA/lmvkvIIS780380v,kd2.量子效率 定义在单色辐射作用于光电阴极时，光电阴极发射单位时间发射出去的光电子数Ne,与入射的光子数之比为光电阴极的量子效率或称量子产额。即 。 p,e,NN 量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表

3、示方法。它们之间的关系为 e,e,e,k1240qhc/q/SShI3. 光谱呼应 光电发射阴极的光谱呼应特性用光谱呼应特性曲线光电发射阴极的光谱呼应特性用光谱呼应特性曲线描画。光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐描画。光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系曲线称为光谱呼应。射波长的关系曲线称为光谱呼应。 4. 暗电流 光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下获得了热能产生热电子发射，构成暗电流。光电发射阴极的暗电流与资料的光电发射阈值有关。普通光电发射阴极的暗电流极低，其强度相当于10-1610-18Acm-2的电流密度。 1、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极350

4、nm,800nm4.1.2 光电阴极资料 2、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，能构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。3、多碱锑化物光电阴极当锑和几种碱金属构成化合物时，具有更高的呼应率 锑铯(Cs3Sb)光电阴极是最常用的，量子效率很高的光电阴极。长波限约为650nm，对红外不灵敏。锑铯阴极的峰值量子效率较高，普通高达20%30%，比银氧铯光电阴极高30多倍。两种或三种碱金属与锑化合构成多碱锑化物光阴极。其量子效率峰值可高达30% 。 4、负电子亲和势光电阴极常规的光电阴极属于正电子亲和势(P

5、EA)类型，即外表的真空能级位于导带之上。假设给半导体的外表作特殊处置，使外表区域能带弯曲，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，经过特殊处置的阴极称作负电子亲和势光电阴极(NEA)。1963年Simon根据半导体物理的研讨提出了负电子亲和势的实际，1965年J.J.Scheer和J.V.Laar首先研制出了GaAsCs负电子亲和势阴极。EA1Eg1Eg2EA2Ev1Ec1E0Ec2Ev2SiCs2OEv1EC1EfEAeE0EdEA2Ev2+-Si-CsO2光电阴极：在p型Si基上涂一层金属Cs，经过特殊处置而构成n型Cs2O。在交界区构成耗尽层，耗尽区的电位下降Ed,呵斥能

6、带弯曲。对于P型Si的发射阈值是Ed1=EA1+Eg1,电子进入导带后需求抑制亲和势EA1才干逸出外表。由于外表存在n型薄层，使耗尽区的电位下降，外表电位降低Ed。光电子在外表遭到耗尽区电场的作用。从Si的导带底部漂移到外表Cs2O的导带底部。此时，电子只需抑制EA2就能逸出外表。对于P型Si的光电子需抑制的有效亲和势为EAe=EA2-Ed由于能级弯曲，使EdEA2,这样就构成了负电子亲和势。负电子亲和势阴极与正电子亲和势阴极的区别在于：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空不需作功。特点：1.高吸收，低反射性质；2.高量子效率，50%60%;3.

7、光谱呼应可以到达1um以上；4.冷电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布5.光谱呼应平坦；6.暗电流小；7.在可见、红外区，能获得高呼应度；8.工艺复杂，售价昂贵。一、真空光电管任务原理一、真空光电管任务原理1、构造与任务原理真空光电管构造表示图真空光电管构造表示图 真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成 。4.2 真空光电管与光电倍增管的任务原理 (phototube) 光电阴极即半导体光电发射资料，涂于玻壳内壁，光电阴极即半导体光电发射资料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极是金属环或受光照时，可向外发射光电子。阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，金属

8、网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来搜集从阴极发射出来的电子。用来搜集从阴极发射出来的电子。 特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，普通积分灵敏度可达20200A/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。 缺陷：真空光电管普通体积都比较大、任务电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等 光照生电子在电场的作用下运动，途中与惰性气体原子碰撞而电离，电离又产生新的电子，它与光电子一同都被阳极搜集，构成数倍于真空型光电管的光电流 。充气型光电管的任务原理4.2.2 光电倍增管组成及任务原理 光电倍增管(Photomultiplier Tube (PMT) 是一种真空光电发射器件。光入

9、射窗光电阴极电子光学系统倍增极阳极A photomultiplier tube, useful for light detection of very weak signals, is a photoemissive device in which the absorption of a photon results in the emission of an electron. These detectors work by amplifying the electrons generated by a photocathode exposed to a photon flux. Photo

10、multipliers acquire light through a glass or quartz window that covers a photosensitive surface, called a photocathode, which then releases electrons that are multiplied by electrodes known as metal channel dynodes. At the end of the dynode chain is an anode or collection electrode. Over a very larg

11、e range, the current flowing from the anode to ground is directly proportional to the photoelectron flux generated by the photocathode. 任务原理：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，分开外表发射到真空中;3.光电子经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搜集，构成阳极光电流。1 1倍增极资料倍增极资

12、料 锑化铯CsSb资料具有很好的二次电子发射功能，它可以在较低的电压下产生较高的发射系数，电压高于400V时的二次发射系数值可高达10倍。 氧化的银镁合金资料也具有二次电子发射功能，它与锑化铯相比二次电子发射才干稍差些，但它可以任务在较强电流和较高的温度150。 1. PMT的入射窗构造 2. 倍增极构造4.2.3 光电倍增管的构造 铜-铍合金铍的含量为2%资料也具有二次电子发射功能，不过它的发射系数比银镁合金更低些。 新开展起来的负电子亲和势资料GaPCs，具有更高的二次电子发射功能，在电压为1000V时，倍增系数可大于50或高达200。 2 倍增极构造倍增极构造 光电倍增管按倍增极构造可分

13、为聚焦型与非聚光电倍增管按倍增极构造可分为聚焦型与非聚焦型两种。非聚焦型光电倍增管有百叶窗型图焦型两种。非聚焦型光电倍增管有百叶窗型图4-4a与盒栅式图与盒栅式图4-4b两种构造；两种构造；聚焦型有瓦片静电聚焦型图聚焦型有瓦片静电聚焦型图4-4c和圆形和圆形鼠笼式图鼠笼式图4-4d两种构造。两种构造。 4.3 光电倍增管的根本特性 4.3.1 灵敏度 1 1、阴极灵敏度、阴极灵敏度 定义光电倍增管阴极电流定义光电倍增管阴极电流IkIk与入射光谱辐射通量之比与入射光谱辐射通量之比为阴极的光谱灵敏度，并记为为阴极的光谱灵敏度，并记为 e,k ,kIS 假设入射辐射为白光，那么以阴极积分灵敏度，假设

14、入射辐射为白光，那么以阴极积分灵敏度，IKIK与与光谱辐射通量的积分之比，记为光谱辐射通量的积分之比，记为Sk Sk 0e,kkdISGV+HVEAEAIISkkk10-510-2lm 2、阳极灵敏度 定义光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为 e,a ,aIS假设入射辐射为白光，那么定义为阳极积分灵敏度，记假设入射辐射为白光，那么定义为阳极积分灵敏度，记为为Sa Sa 0e,aadISGVHVEA10-1010-6lmn4.3.2 4.3.2 电流放大倍数增益电流放大倍数增益 电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性，它不但与倍增极资料的二次电子发射系数有

15、关，而且与光电倍增管的级数N有关。理想光电倍增管的增益G与电子发射系数的关系为 NG 当思索到光电阴极发射出的电子被第1倍增极所搜集，其搜集系数为1，且每个倍增极都存在搜集系数i，因此，增益G应修正为 Ni1)(G 对于非聚焦型光电倍增管对于非聚焦型光电倍增管, 1, 1近似为近似为90%90%。 i i要高要高于于1 1 ，但小于，但小于1 1； 对于聚焦型的，尤其是在阴极与第对于聚焦型的，尤其是在阴极与第1倍增极之间具有倍增极之间具有电子限束电极电子限束电极F的倍增管，其的倍增管，其1i 1。 倍增极的二次电子发射系数倍增极的二次电子发射系数可用阅历公式计算，对可用阅历公式计算，对于锑化铯

16、于锑化铯Cs3SbCs3Sb倍增极资料有阅历公式倍增极资料有阅历公式 0.7DD)(2 . 0U 对于氧化的银镁合金AgMgO资料有阅历公式 =0.025UDD 0.7NDDN(0.2) UG 对于锑化铯倍增极资料对于锑化铯倍增极资料 对银镁合金资料对银镁合金资料 NDDN(0.025) UG kakaSSIIG 光电倍增管在电源电压确定后，电流放大倍数可以从定义出发，经过丈量阳极电流Ia与阴极电流Ik确定。 4.3.3 暗电流 光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为ID。光电倍增管的暗电流值在正常运用的情况下是很小的，普通为nA，是一切光电探测器件中暗电流最低的器件。 影响暗

17、电流的主要要素： 1. 欧姆漏电 欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的奉献小。在低电压任务时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。 2. 热发射 由于光电阴极资料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。 KTthq4/5tdeAETI降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法。 3. 剩余气体放电 光电倍增管中高速运动的电子会使管中的剩余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，构成暗电流。这种效应在任务电压高时特别严重，使倍增管任务不稳定。 4. 场致发射 光电倍增管的任务

18、电压高时还会引起管内电极尖端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流。显然降低任务电压场致发射暗电流也将下降。 5. 玻璃壳放电和玻璃荧光 当光电倍增管负高压运用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间的电场很强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极电场最强。在强电场下玻璃壳能够产生放电景象或出现玻璃荧光，放电和荧光都要引起暗电流，而且还将严重破坏信号。因此，在阴极为负高压运用时屏蔽壳与玻璃管壁之间的间隔至少为1020mm。 4.3.4 噪声 光电倍增管的噪声主要由散粒噪声和负载电阻的热噪声组成。负载电阻的热噪声为 a2naK4RfTI 散粒噪声主要由阴极暗电流Id，背景辐射电流Ib以及信号电流Is的散粒效应所引

19、起的。阴极散粒噪声电流为 )(22dkbkskk2nkIIIfqfqII散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产生本身的散粒噪声。如第1级输出的散粒噪声电流为 )1 (2)(112nk1k21nk2nD1IfqIII第2级输出的散粒噪声电流为 )1 (2)(212212nk21k22nD12nD2IfqIII第n级倍增极输出的散粒噪声电流为 )(111nn1nnnn3212nk2nDn II为简化问题，设各倍增极的发射系数都等于各倍增极的电压相等时发射系数相差很小时，那么倍增管末倍增极输出的散粒噪声电流为 fGqII122k2nDn通常在36之间， 接近于1，并且，越大， 越接近于1。光电倍增

20、管输出的散粒噪声电流简化为 11fGqII2k2nDn2总噪声电流为 fGqIRfKTIn2ka224在设计光电倍增管电路时，总是力图使负载电阻的热噪声远小于散粒噪声 RfKTa4fGqI2k2设光电倍增管的增益G=104，阴极暗电流Idk=10-14A，在室温300K情况下，只需阳极负载电阻Ra满足 k522KT42KaGqIR当然，提高光电倍增管的增益增高电源电压G，降低阴极暗电流Idk都会减少对阳极电阻Ra的要求，提高光电倍增管的时间呼应。 4.3.5 伏安特性 1. 阴极伏安特性 当入射光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极电流Ik与阴极和第一倍增极之间电压(简称为阴极电压Uk)的关系曲线称为阴极伏安特性， 图4-6为不同光通量下测得的阴极伏安特性。从图中可见，当阴极电压较小时阴极电流Ik随Uk的增大而添加，直到Uk大于一定值(几十伏特)后，阴极电流Ik才趋向饱和，且与入射光通量成线性关系。 2. 阳极伏安特性 当入射到光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阳极电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压(简称为阳极电压Ua)的关系曲线称为阳极伏安特性，图4-7为3组不同强度的光通量的伏安特性