光电发射器件

1、第六章第六章光电发射器件 引言v光电发射器件是基于光电发射器件是基于外光电外光电效应的器件。效应的器件。u真空光敏二极管真空光敏二极管u光电倍增管光电倍增管u变相管变相管u像增强器像增强器u真空电子束摄像管真空电子束摄像管v特点特点：灵敏度高，响应快速灵敏度高，响应快速v应用应用：微弱辐射探测、快速捕捉弱辐射脉冲信息：微弱辐射探测、快速捕捉弱辐射脉冲信息v例如天文观测快速运动的星体或飞行物及材料工程、例如天文观测快速运动的星体或飞行物及材料工程、生物医学工程、地质地理分析领域生物医学工程、地质地理分析领域6.1 6.1 光电发射阴极光电发射阴极6.1.1 6.1.1 光电发射阴极的主要参数光电

2、发射阴极的主要参数 光电发射阴极的主要特性参数光电发射阴极的主要特性参数u 灵敏度灵敏度u 量子效率量子效率u 光谱响应光谱响应u 暗电流暗电流 1. 灵敏度灵敏度1) 光谱灵敏度光谱灵敏度 定义：单色辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出定义：单色辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流电流Ik与单色辐射通量与单色辐射通量e,之比。之比。 Se,=IK/e, 量纲为量纲为A/W或或A/W。 2) 积分灵敏度积分灵敏度 定义：在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时，定义：在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流光电阴极输出电流Ik与入射辐射通量与入射辐射通量e之比。之比。 量纲为

3、量纲为mA/W或或A/W。在可见光波长范围内的在可见光波长范围内的“白光白光”作用于光电阴极时，作用于光电阴极时，白光灵敏度白光灵敏度Sv= 量纲为量纲为mA/lm。 0e,kedIS780380v,kdIv2.2.量子效率量子效率 定义：定义：单色单色辐射作用于光电阴极时，光电阴极发射单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位时间发射出去的光电子数光电子数Ne,与入射的与入射的光子数光子数之比。之比。p,e,NN 量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。它们之间的关系为示方法。它们之间的关系为 e,e,e,k1240qhc/q/S

4、ShIv3. 光谱响应光谱响应 光电发射阴极的光谱响应特性用光谱响应特性曲光电发射阴极的光谱响应特性用光谱响应特性曲线描述，即光电发射阴极的线描述，即光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系入射辐射波长的关系曲线。曲线。 4. 暗电流暗电流 光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温室温下获得了热能产生热电子发射，形成暗电流。下获得了热能产生热电子发射，形成暗电流。 光电发射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值有光电发射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值有关。一般光电发射阴极的暗电流极低，其强度相当于关。一般光电发射阴极的暗电

5、流极低，其强度相当于10-1610-18Acm-2的电流密度。的电流密度。 v6.1.2 光电阴极材料光电阴极材料 u 单碱与多碱锑化物光阴极单碱与多碱锑化物光阴极 锑铯锑铯(Cs3Sb) 、Na2KSbu 银氧铯银氧铯（Ag-O-Cs）与铋银氧铯与铋银氧铯（ Bi-Ag-O-Cs； Bi-O-Ag-Cs； Ag-Bi-O-Cs）光阴极光阴极 u 紫外光阴极紫外光阴极u -族元素光阴极族元素光阴极6.2 6.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 v6.2.1 真空光电管（真空光电管（简称光电管）简称光电管）的原理的原理光电发射型器件光电发射型器件组成组成：光电阴

6、极和阳极两部分：光电阴极和阳极两部分类型类型：真空型：管内被抽成真空：真空型：管内被抽成真空 充气型：管内充入某些低气压惰性气体充气型：管内充入某些低气压惰性气体工作条件工作条件：在阴极和阳极之间加有一定的电压，：在阴极和阳极之间加有一定的电压，且阳极为正极，阴极为负极。且阳极为正极，阴极为负极。 1、真空型光电管的工作原理、真空型光电管的工作原理原理：原理：当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴极面上时，电阴极面上时，光电子就从阴极发射出去，光电子就从阴极发射出去，在阴极和在阴极和阳极之间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运阳极之间形成的电场作

7、用下，光电子在极间作加速运动，动，被高电位的阳极收集被高电位的阳极收集。光电流大小的决定因素：光电流大小的决定因素：u阴极灵敏度阴极灵敏度u入射辐射强度入射辐射强度 2、充气型光电管的工作原理、充气型光电管的工作原理 光照产生电子在电场的作用下运动，途中光照产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，电离又产生新的与惰性气体原子碰撞而电离，电离又产生新的电子电子，它与光电子一起都被阳极收集，它与光电子一起都被阳极收集，正离子正离子向反方向运动被阴极接收，向反方向运动被阴极接收，形成数倍于真空型形成数倍于真空型光电管的光电流光电管的光电流 。v6.2.2 6.2.2 光电倍增管的原

8、理光电倍增管的原理 光电倍增管（光电倍增管（Photo-multiple tube，简称为简称为PMT）是一种）是一种真空光电发射器件真空光电发射器件。组成：组成：u 光入射窗光入射窗u 光电阴极光电阴极u 电子光学系统电子光学系统u 倍增极倍增极u 阳极阳极工作过程：工作过程：u 光子入射到光电阴极光子入射到光电阴极u 光电阴极产生电子发射光电阴极产生电子发射u 电子在电场中加速运动电子在电场中加速运动u 作用于倍增极并产生倍增发作用于倍增极并产生倍增发射电子射电子u 电子经电子经N次倍增后被阳极收集，次倍增后被阳极收集，形成电流形成电流当光子入射到光电阴极面当光子入射到光电阴极面K上时，只

9、要光子的能量高于光电上时，只要光子的能量高于光电发射阈值，光电阴极将产生光电子发射。发射阈值，光电阴极将产生光电子发射。发射到真空中的电子在电场和电子光学系统的作用下，经发射到真空中的电子在电场和电子光学系统的作用下，经电子限束器电极电子限束器电极F汇聚，并加速运动到第一倍增极汇聚，并加速运动到第一倍增极D1上。第上。第一倍增极在高动能电子的作用下，将发射比入射电子数目一倍增极在高动能电子的作用下，将发射比入射电子数目更多的二次电子。更多的二次电子。第一倍增极发射出的电子在第一与第二倍增极之间电场的第一倍增极发射出的电子在第一与第二倍增极之间电场的作用下高速运动到第二倍增极。作用下高速运动到第

10、二倍增极。同样，在第二倍增极上产生电子倍增。经同样，在第二倍增极上产生电子倍增。经N级倍增极倍增后，级倍增极倍增后，电子被放大电子被放大N次，最后被阳极收集，形成阳极电流次，最后被阳极收集，形成阳极电流Ia，Ia将将在负载电阻上产生电压降，形成输出电压。在负载电阻上产生电压降，形成输出电压。v6.2.3 6.2.3 光电倍增管的结构光电倍增管的结构v入射窗入射窗 结构：端窗式、侧窗式结构：端窗式、侧窗式 v倍增极倍增极 材料：材料：锑化铯（锑化铯（CsSb） 氧化的银镁合金（氧化的银镁合金（AgMgOCs） 铜铜-铍合金铍合金 负电子亲和势材料负电子亲和势材料GaPCs 结构结构: :聚焦型、

11、非聚焦型聚焦型、非聚焦型6.3 6.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性 v灵敏度灵敏度v电流放大倍数（增益）电流放大倍数（增益）v暗电流暗电流v噪声噪声v伏安特性伏安特性v线性线性v疲劳与衰老疲劳与衰老v6.3.1 6.3.1 灵敏度灵敏度 阴极灵敏度阴极灵敏度：反映光电阴极材料对入射光的敏感程度：反映光电阴极材料对入射光的敏感程度阳极灵敏度阳极灵敏度：倍增极的倍增特性：倍增极的倍增特性1 1、阴极灵敏度、阴极灵敏度 光电倍增管阴极电流光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量之比与入射光谱辐射通量之比e,k ,kIS阴极积分灵敏度阴极积分灵敏度kkkee,0dIIS 2 2、阳极灵敏

12、度、阳极灵敏度 光电倍增管阳极输出电流光电倍增管阳极输出电流I Ia a与入射光谱辐射通量之比与入射光谱辐射通量之比 e,a ,aIS阳极积分灵敏度阳极积分灵敏度aaaee,0dIISv6.3.2 6.3.2 电流放大倍数（增益）电流放大倍数（增益） 表征表征光电倍增管的光电倍增管的内增益特性内增益特性决定因素决定因素：倍增极材料的二次电子发射系数：倍增极材料的二次电子发射系数 光电倍增管的级数光电倍增管的级数N理想光电倍增管的理想光电倍增管的增益增益 G = N考虑到电子被倍增极收集，增益修正为考虑到电子被倍增极收集，增益修正为 Ni1)(G倍增极的倍增极的收集系数收集系数kakaSSIIG

13、由定义出发由定义出发，光电倍增管在电源电压确定后，电流放，光电倍增管在电源电压确定后，电流放大倍数可以通过测量阳极大倍数可以通过测量阳极电流电流Ia与阴极电流与阴极电流Ik确定确定: : 锑化铯倍增极材料锑化铯倍增极材料0.7DD)(2 . 0U氧化的银镁合金材料氧化的银镁合金材料 = 0.025UDD倍增极的二次电子发射系数倍增极的二次电子发射系数与与倍增极材料倍增极材料和和倍增极的极间电压倍增极的极间电压UDD有关有关0.7nDDn(0.2) UG nDDn(0.025) UG v6.3.3 暗电流暗电流 定义定义：光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称：光电倍增管在无辐射作用下的阳极输

14、出电流称为暗电流，记为为暗电流，记为ID。特点特点：光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是：光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是很小的，一般为很小的，一般为1010-16-1610-10A，是所有光电探测器件中是所有光电探测器件中暗电流最低的器件暗电流最低的器件。 影响暗电流的主要因素：影响暗电流的主要因素： 欧姆漏电欧姆漏电热发射热发射残余气体放电残余气体放电场致发射场致发射玻璃壳放电和玻璃荧光玻璃壳放电和玻璃荧光光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等，比较稳定，尘漏电等，比较稳定，对噪声的贡献小对噪声的贡献小。低电压低电压工作时是

15、暗电流的主要部分工作时是暗电流的主要部分。 由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热由于光电阴极材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，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。并被电子倍增系统倍增。对低频率弱辐射光信息的探测影响严重对低频率弱辐射光信息的探测影响严重。光电倍增管光电倍增管正常工作状态下它是暗电流的主要成分正常工作状态下它是暗电流的主要成分。降低光电倍增管的温度降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方是减小热发射暗电流的有效方法。法。 欧姆漏电欧姆漏电热发射热发射残余气体放电残余气体放电场致发射场致发

16、射玻璃壳放电和玻璃荧光玻璃壳放电和玻璃荧光欧姆漏电欧姆漏电热发射热发射残余气体放电残余气体放电场致发射场致发射玻璃壳放电和玻璃荧光玻璃壳放电和玻璃荧光光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。这种效应在被倍增，形成暗电流。这种效应在工作电压工作电压高时特别严重高时特别严重，使倍增管工作不稳定。，使倍增管工作不稳定。 光电倍增管的光电倍增管的工作电压高工作电压高时还会引起时还会引起管内电极尖管内电极尖端或棱角的场强太高端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流。显产生的场

17、致发射暗电流。显然降低工作电压场致发射暗电流也将下降。然降低工作电压场致发射暗电流也将下降。 当光电倍增管当光电倍增管负高压负高压使用时，金使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间的电场很属屏蔽层与玻璃壳之间的电场很强。在强电场下玻璃壳可能产生强。在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，引起放电现象或出现玻璃荧光，引起暗电流，严重破坏信号。暗电流，严重破坏信号。v6.3.4 噪声噪声 光电倍增管的噪声主要有：光电倍增管的噪声主要有：u 散粒噪声散粒噪声：由阴极暗电流由阴极暗电流Id，背景辐射电流，背景辐射电流Ib以及以及信号电流信号电流Is的的散粒效应散粒效应所引起的。散粒噪声电流将被所引起的。

18、散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产生自身的散粒噪声。逐级放大，并在每一级都产生自身的散粒噪声。u 负载电阻的热噪声负载电阻的热噪声总噪声电流总噪声电流为为 fGqIRfKTIn2ka224在设计光电倍增管电路时，总是力图使负载电阻的热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噪声远小于散粒噪声 RfKTa4fGqI2k2v6.3.5 伏安特性伏安特性 1. 1. 阴极伏安特性阴极伏安特性：当入射光电倍增管阴极面上的光通量一当入射光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极电流定时，阴极电流Ik与阴极和第一倍增极之间电压与阴极和第一倍增极之间电压(阴极电压阴极电压Uk)的关

19、系曲线。的关系曲线。特点特点：u 阴极电压较小时，阴极电流阴极电压较小时，阴极电流Ik随随Uk的增大而增加；的增大而增加；u 直到直到Uk大于一定值大于一定值(几十伏特几十伏特)后，阴极电流后，阴极电流Ik趋向饱和，且与趋向饱和，且与入射光通量入射光通量成线性关系。成线性关系。 2. 2. 阳极伏安特性阳极伏安特性：当入射到光电倍增管阴极面上的光通量一当入射到光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阳极电流定时，阳极电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压与阳极和末级倍增极之间电压(为阳极电压为阳极电压Ua)的关系曲线。的关系曲线。e,aaSI 饱和区饱和区：阳极电压较低时，电：阳极电压较低时，电子流不能

20、完全被阳极吸收。子流不能完全被阳极吸收。 当阳极电压增大到一定程度当阳极电压增大到一定程度后，电子流能完全被阳极收后，电子流能完全被阳极收集，阳极电流集，阳极电流I Ia a与入射到阴与入射到阴极面上的光通量极面上的光通量成成线性线性关关系而与阳极电压的变化无关。系而与阳极电压的变化无关。可等效为可等效为恒流恒流源处理。源处理。 v6.3.6 线性线性 如何表征？如何表征？光电倍增管的光电倍增管的阳极伏安特性阳极伏安特性。 造成非线性的原因：造成非线性的原因：(1)内因，即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或内因，即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率等的变化；收集效率等的变化；(2)外因

21、，光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的外因，光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分配破坏输出信号的线性。配破坏输出信号的线性。 v6.3.7 疲劳与衰老疲劳与衰老 u疲劳疲劳：在较轻辐射作用下倍增管灵敏度下降的现象，暂时：在较轻辐射作用下倍增管灵敏度下降的现象，暂时现象。现象。u衰老衰老：正常运用情况下，随着工作时间积累，灵敏度逐渐：正常运用情况下，随着工作时间积累，灵敏度逐渐下降且不能恢复。下降且不能恢复。u灵敏度下降的原因灵敏度下降的原因：光电阴极材料和倍增极材料中一般光电阴极材料和倍增极材料中一般都含有铯金

22、属。当都含有铯金属。当电子束较强电子束较强时，电子束的碰撞会使倍增极时，电子束的碰撞会使倍增极和阴极板和阴极板温度升高，铯金属蒸发温度升高，铯金属蒸发，影响阴极和倍增极的电子，影响阴极和倍增极的电子发射能力，使灵敏度下降。发射能力，使灵敏度下降。u采取措施：限制入射的光通量使光电倍增管的输出电流不采取措施：限制入射的光通量使光电倍增管的输出电流不得超过极限值得超过极限值IaM，对光电倍增管进行过电流保护。，对光电倍增管进行过电流保护。 6.4 6.4 光电倍增管的供电电路光电倍增管的供电电路 特点特点：极高的灵敏度、快速响应、暗电流低、：极高的灵敏度、快速响应、暗电流低、噪声低。噪声低。应用应

23、用：光谱探测和极微弱快速光信息的探测等：光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面。方面。微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管+半导体光电器件半导体光电器件例如：微通道板与例如：微通道板与CCD结合构成具有微光图像结合构成具有微光图像探测功能的图像传感器探测功能的图像传感器 ，广泛应用于天文观测，广泛应用于天文观测与航天工程。与航天工程。电路由电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向个电阻构成电阻链分压器，分别向10级倍级倍增极提供电压增极提供电压UDD。 v6.4.1 电阻链分压型供电电路电阻链分压型供电电路 u考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的电子考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增

24、效应，各级的电子流按放大倍率分布，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并流按放大倍率分布，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等。不相等。u当流过分压电阻的电流当流过分压电阻的电流IR Ia时，流过各分压电阻时，流过各分压电阻Ri的电的电流近似相等。工程上常设计流近似相等。工程上常设计 IR10Ia1、电阻链的设计 锑化铯倍增极材料锑化铯倍增极材料0.7DD)(2 . 0U0.7nDDn(0.2) UG 根据增益根据增益G的要求设计极间供电电压的要求设计极间供电电压UDD与电源电与电源电压压Ubb。选择的太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度选择的太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高导

25、致性能的降低，以至无法工作。升高导致性能的降低，以至无法工作。 选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值Ru工程上常设计工程上常设计 IR10IaR=Ubb/IR各分压电阻各分压电阻Rbbi1.5)(N1.5)(NIURRR1=1.5 Riv6.4.2 末极的并联电容末极的并联电容 原因原因：当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末：当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。作用作用：在

26、末：在末3极并联极并联3个电容个电容C1、C2与与C3，通过电容的充，通过电容的充放电过程使末放电过程使末3级电压稳定。级电压稳定。 v6.4.3 电源电压的稳定度电源电压的稳定度 光电倍增管的电流增益稳定度与光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度极间电压稳定度的关系：的关系：DDDD7 . 0UUnGGbbbb7 . 0UUnGG对锑化铯倍增极对锑化铯倍增极 对银镁合金倍增极对银镁合金倍增极 bbbbUUnGG 由于光电倍增管的输出信号由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkvRL，输出信号的稳输出信号的稳定度定度与增益的稳定度有关与增益的稳定度有关 bbbbUUnGGUU 在实际应用中常常

27、对电源电压稳定度的要求简单地认为高在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为为1%1%时，则要求电源电压稳定度应高于时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%0.1%。 例例 设入射到设入射到PMT上的最大光通量为上的最大光通量为v=1210-6lm左左右，当采用右，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知：型倍增管为光电探测器，已知：它的它的倍增级数为倍增级数为8级级，阴极为，阴极为SbCs材料，倍增极也为材料，倍增极也为SbCs材料，材料，阴极灵敏度为阴极灵敏度为40A/

28、lm，阳极电阻阳极电阻Ra=82k，若要求，若要求入射光通量在入射光通量在0.610-6lm时的时的输出输出电压幅度不低于电压幅度不低于0.2V，试设计该，试设计该PMT的变换电路。的变换电路。设计设计PMT的变换电路的变换电路计算计算UDD、Ubb以以及电阻链阻值及电阻链阻值入射入射光通量为光通量为0.610-6lm时的时的阴极电流阴极电流为为 IK= SKv=4010-60.610-6=2410-6A56min1002. 11024439. 2KaIIG由于由于N=8，因此，因此，每一级的增益每一级的增益=4.227。0.7DD)(2 . 0UV782 . 07 . 0DDU总电源电压总电

29、源电压 Ubb=（N+1.5）UDD=741V 解解 (1) (1) 首先计首先计算供电电源的电压算供电电源的电压Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A此时，此时，PMT的增益的增益SbCs倍增极材料倍增极材料极间电压极间电压阳极电流阳极电流 (2) 计算偏置电路电阻链的阻值计算偏置电路电阻链的阻值 设流过电阻链的电流为设流过电阻链的电流为IRi，流过阳极电阻，流过阳极电阻Ra的的最大电流最大电流为为Iam=GSKvm=1.021054010-61210-6=48.96A取取IRi10 Iam，则，则 IRi=500A因此，因此，电阻链的阻值电阻链的阻值 Ri= UDD/

30、IRi=156k 取取Ri=120 k，R1=1.5Ri=180 k。若供电电压的稳定度只能做到若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该，试问该PMT变变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？解：解： 输出信号电压的稳定度输出信号电压的稳定度最高为最高为 %08. 0%01. 08bbbbUUnUU如果如果GDB-235的阳极最大输出电流为的阳极最大输出电流为2mA，试问阴，试问阴极面上的入射光通量不能超过多少极面上的入射光通量不能超过多少lm？解解 由于由于Iam=G SKVm 故故阴极面上的入射光通量阴极面上的入射光通量不能超过不能超过 )Lm(1049. 01040101.02102 /3653KamVmSGI6.56.5 光电倍增管的典型应用光电倍增管的典型应用 6.5.1 光谱探测领域的应用光谱探测领域的应用 微光探测、快速光子计数和微光时域分析。微光探测、快速光子计数和微光时域分析。 1 1、发射光谱、发射光谱 光栅：光谱展开光栅：