第5章++真空光电器件-吴益根

1、 真空光电器件基于外光电效应的光电探测器，结构特点是真空光电器件基于外光电效应的光电探测器，结构特点是有一个真空管，其它元件都放在真空管中。主要包括光电管和有一个真空管，其它元件都放在真空管中。主要包括光电管和光电倍增管两类。光电倍增管两类。 由于光电倍增管具有灵敏度高、响应迅速等特点，在探由于光电倍增管具有灵敏度高、响应迅速等特点，在探测微弱光信号及快速脉冲弱光信号方面是一个重要的探查器件，测微弱光信号及快速脉冲弱光信号方面是一个重要的探查器件，因此广泛应用于航天、材料、生物、医学、地质等领域。因此广泛应用于航天、材料、生物、医学、地质等领域。 能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电

2、发射体在光电器件中常作为阴极，所以称为光电阴极。 光电发射效应-入射光辐射的光子能量足够大时，它和金属或半导体材料中的电子相互作用的结果使电子从物质表面逸出，在空间电场的作用下就会形成电流。 光电发射体-能够产生光电发射效应的物体。5.1 光电阴极（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之比，也称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。为白光灵敏度或积分灵敏度。（2）色光灵敏度）色光灵敏度也就是局部波长范围的积分灵敏度。表示在某些也就是局部波长范围的积分灵敏度。表示在某些特定的波长区域，光电阴极光电流与入射

3、光的白特定的波长区域，光电阴极光电流与入射光的白光光通量之比。光光通量之比。通过加滤光片来实现，比如蓝光灵敏度、红光灵通过加滤光片来实现，比如蓝光灵敏度、红光灵敏度、红外灵敏度等敏度、红外灵敏度等（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比。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。 )()(PeNNQ光电阴极受特定波长的光照射时，该阴极所发射的光电子数与入射光电阴极受特定波长的光照射时，该阴极所发射的光电子数与入射的光子数之比值，称为量子效率，用公式表示：的光子数之比值，称为量子效率，用公式表示： )(N)(NQPe量子效率与光谱灵敏度

4、之间的关系如下式；式中量子效率与光谱灵敏度之间的关系如下式；式中单位为单位为nm；S()为光谱灵敏度，单位为为光谱灵敏度，单位为A/W。hvqIe)()(qhcS)(1240)(S 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，称为光谱响应曲线。由于电子热能较大而可能逸出阴极表面，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形成10-1610-17A/m2的电流密度，这些热发射电子会引起噪声。透射型：透射型：通常制作在透明介质上，光通过透明介质射通常制作在透明介质上，光通过透明介质射向光电阴极，而光电子从光电阴极的另一面向光电阴极，而光电子从光电阴极的另一面发射出去，所以

5、又称为半透明光电阴极。发射出去，所以又称为半透明光电阴极。光光电子电子反射型：反射型： 由于光电子的逸出深度是有限的，因此所有由于光电子的逸出深度是有限的，因此所有半透明光电阴极都有一个最佳厚度。不透明半透明光电阴极都有一个最佳厚度。不透明阴极通常较厚，光照射到阴极上，电子从同阴极通常较厚，光照射到阴极上，电子从同一测射出，所以不透明光电阴极又称为反射一测射出，所以不透明光电阴极又称为反射型阴极。型阴极。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一阴极一般较厚般较厚具有良好的可见和近红外响应具有良好的可见和近红外响应透射型：透射型：3001200nm，反射型：，反射

6、型：3001100nm在可见光区域灵敏度较低，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合于测量较强的入射光适合于测量较强的入射光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响应，红具有高灵敏度的宽光谱响应，红外端可延伸到外端可延伸到930nm，适用于，适用于宽带光谱测量仪。宽带光谱测量仪。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，如图为如图为GaAs,InGaAs,GaAsP等材料的光谱响应曲线。他

7、等材料的光谱响应曲线。他们在很宽的光谱范围内光谱们在很宽的光谱范围内光谱响应曲线平坦。响应曲线平坦。2）光谱响应率均匀，且光谱响应延伸到红外）光谱响应率均匀，且光谱响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）热电子发射小与光谱响应范围相同的正电子亲合势的光电发射材料相与光谱响应范围相同的正电子亲合势的光电发射材料相比，负电子亲合势的光电材料的禁带宽度一般比较宽，比，负电子亲合势的光电材料的禁带宽度一般比较宽，所以热电子不容易发射。所

8、以热电子不容易发射。-在某些应用中，为了消除背景辐射的影在某些应用中，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，这种阴极信号灵敏，而对可见光无响应，这种阴极通常称为通常称为“日日”盲型光电阴极盲型光电阴极CsTe(长波限长波限0.32m m）CsI（长波限（长波限0.2m)目前比较常用的有：目前比较常用的有：4）光电子的能量集中）光电子的能量集中当负电子亲合势光电阴极受光照时，被激发的电子在导当负电子亲合势光电阴极受光照时，被激发的电子在导带内很快热化并落入导带底，热化电子很容易扩散到达带内很快热化并落入导带底，热化

9、电子很容易扩散到达能带弯曲的表面，然后发射出去，所以其光电子能量基能带弯曲的表面，然后发射出去，所以其光电子能量基本上等于导带底的能量。本上等于导带底的能量。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 IR RL LU UoutoutU Ub b真空型真空型充气型：充气型：有有倍增作用倍增作用 光电管主要由玻管（光窗）、光电阴极和阳极三部分组成。下图为工作电路和结构示意图。 因光电管内有抽成真空或充入低压惰性气体，所以又真空型和充气型两种。 真空光电管的工作原理是：当入射的光线从光窗照射到光电阴极上时，后者就发射光电子，光电子在电场的作用下被加速，并被阳

10、极收集，形成的光电流的大小主要由阴极灵敏度和光照强度等决定。 在充气光电管中，光电阴极产生的光电子在加速向阳极运动中与气体原子碰撞而使后者发生电离，电离产生的新电子数倍于原光电子，因此在电路内形成数倍于真空管的光电流。 光电倍增管实物图和结构如下图所示，光电倍增管主要光电倍增管实物图和结构如下图所示，光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极极5个组要部分组成个组要部分组成光电倍增管光电倍增管-是在光电管的基础上研制出来的一种真空是在光电管的基础上研制出来的一种真空光电器件，由于在结构上增加了电子光学系统和电子倍增光

11、电器件，由于在结构上增加了电子光学系统和电子倍增极，因此极大地提高了检测灵敏度。极，因此极大地提高了检测灵敏度。电子光学系统电子光学系统阴极阴极K KA A阳极阳极AU U1 1U U2 2U U5 5U U6 6U U3 3D D2 2U U4 4D D3 3D D1 1D D4 4D D5 5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。一直持续下去直到最后一

12、个倍增极一直持续下去直到最后一个倍增极, ,电子数量达到电子数量达到10105 5-10-108 8，最后这些电子被吸引到阳极形成电流输出。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形成电流输出。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。工作原理工作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-决定了入射光的透过情况决定了入射光的透过情况侧窗式侧窗式端窗式端窗式 光电倍增管的光窗是入射光的通道，光窗材料对光的光电倍增管的光窗是入射光的通道，光窗材料对光的吸收与波长有光，波长越短吸收越多。光窗

13、通常有侧窗和吸收与波长有光，波长越短吸收越多。光窗通常有侧窗和端窗两种类型。侧窗式是通过管壳的侧面接收入射光，端端窗两种类型。侧窗式是通过管壳的侧面接收入射光，端窗是通过端面接收入射光。窗是通过端面接收入射光。光电倍增管常用的窗口材料有硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、蓝宝石和MgF2它们的透射率如右图所示，下面简单讨论这些材料的特性。硼硅玻璃：透射范围从300nm红外。透紫外玻璃：可透过的最短波长为185nm，但化学稳定性较差熔融石英：可透过的最短波长为160nm蓝宝石：可透过的最短波长为150nmMgF2: 可透过的最短波长为115nm是指：阴极到倍增系统第是指：阴极到倍增系统第一倍增极之间

14、的电极空间，一倍增极之间的电极空间，包括光电阴极、聚焦极、包括光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。加速极及第一倍增极。作用：作用：使光电子尽可能的汇集到第一倍增极上，而将其他部分的使光电子尽可能的汇集到第一倍增极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比。杂散热电子散射掉，提高信噪比。尽量使电子的渡越时间相同，这样可以保证光电倍增管的尽量使电子的渡越时间相同，这样可以保证光电倍增管的快速响应。快速响应。二次电子二次电子发射系数发射系数当具有足够动能的电子轰击倍增极材料当具有足够动能的电子轰击倍增极材料时，倍增极表面将发射新的电子。称入射的电时，倍增极表面将发射新的电子。称入射的电子为一次

15、电子，从倍增极表面发射的电子为二子为一次电子，从倍增极表面发射的电子为二次电子。为了表征材料发射电子的能力，用右次电子。为了表征材料发射电子的能力，用右边系数表示。边系数表示。二次电子发射过程可以分为二次电子发射过程可以分为3个阶段：个阶段：12NN倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是有倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是有二次电子材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。二次电子材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。材料吸收一次电子的能量，跃迁到高能态，脱离材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度指

16、向表面的电子向表面运动内二次电子中速度指向表面的电子向表面运动穿过表面势垒区发射到真空中穿过表面势垒区发射到真空中一般为一般为3-63-6个个可达可达20-2520-25个个N N1 1入射光子数入射光子数N N2 2出射光电数出射光电数大致可以分为以下4类主要银氧和锑銫两种化合物，它们即可做光电发射材料，也可做二次电子发射材料氧化物型，氧化镁、氧化钡合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍负电子亲合势材料，如铯激活的磷化镓有聚焦型和非聚焦型两大类。有聚焦型和非聚焦型两大类。聚焦型聚焦型-鼠笼式、鼠笼式、盒栅式、盒栅式、直线聚焦式直线聚焦式非聚焦型非聚焦型-百叶窗式、近贴栅网式、百叶窗式、近贴栅网式、微

17、通道微通道板式板式AKU Uoutout阴极阴极K KA A阳极阳极D D2 2E=700-3000VE=700-3000VD D3 3D D1 1D D4 4D D5 5R R6 6R R3 3R R2 2R R1 1R R4 4R R5 5R RL LI IP P阳极的作用是收集从末级倍增极发射出的二次电子。最简单常用的阳极是阳极的作用是收集从末级倍增极发射出的二次电子。最简单常用的阳极是栅状阳极，他的输出电容小，阳极附近也不易产生空间电荷效应。栅状阳极，他的输出电容小，阳极附近也不易产生空间电荷效应。光电倍增管的工作原理：光电倍增管的工作原理：1.光子透过入射窗口入射在光电阴极光子透过入

18、射窗口入射在光电阴极K上上2.光电阴光电阴极受光照激发，表面发射光电子极受光照激发，表面发射光电子3.光电子被电子光学系统加速和聚集后入射光电子被电子光学系统加速和聚集后入射到第一倍增极到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经射电子经N级倍增极倍增后，光电子数就放大级倍增极倍增后，光电子数就放大N次次4.经过倍增后的二次电子经过倍增后的二次电子由阳极由阳极P收集起来，形成阳极光电流收集起来，形成阳极光电流Ip，在负载上产生信号电压，在负载上产生信号电压Uo阴极输出电流与入射光通量之比5.3 光电倍增管的主要特性

19、参数光电倍增管的主要特性参数KKIS阳极光照灵敏度表示光电倍增管在接收分布温度为阳极光照灵敏度表示光电倍增管在接收分布温度为2856K2856K的光的光辐射时，阳极输出信号电流与入射到阴极上的辐射时，阳极输出信号电流与入射到阴极上的光通量之比光通量之比PPIS k12CUNN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一般为一般为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收集率为：且电子光学系统的电子收集率为：则阳极光电电流和阴极电流的关系为则阳极光电电流和阴极电流的

20、关系为N321KP.II设各倍增系数都为设各倍增系数都为则：则：kNNUCKPIIM Nk)CU(NkNkNNE)1N(CkNN)1NE(CkNAE正常工作状态下正常工作状态下,但无信号光照的情况下但无信号光照的情况下,阳极的电流输出叫暗电流；分为阳极的电流输出叫暗电流；分为三类：三类：（1）阴极的热电子发射是主要原因。）阴极的热电子发射是主要原因。 只能通只能通过降低阴极温度来减弱。过降低阴极温度来减弱。（2）支撑电极的绝缘体的漏电。保持清洁）支撑电极的绝缘体的漏电。保持清洁（3）高压电场产生离子反馈）高压电场产生离子反馈,进而形成光反馈进而形成光反馈光电倍增管的噪声主要有光电器件本身的散粒

21、噪声和热噪光电倍增管的噪声主要有光电器件本身的散粒噪声和热噪声、负载电阻的热噪声、光电阴极和倍增极发射时的闪烁声、负载电阻的热噪声、光电阴极和倍增极发射时的闪烁噪声等。噪声等。致冷对降低噪声很有效，使用致冷方法是必须注意以下几个致冷对降低噪声很有效，使用致冷方法是必须注意以下几个问题：问题：光电阴极的光谱响应曲线会随温度而变化，光电仪器定光电阴极的光谱响应曲线会随温度而变化，光电仪器定标时的工作温度必须和测量温度相同标时的工作温度必须和测量温度相同光电阴极（如光电阴极（如CsSb)CsSb)的电阻会随温度下降而很快增加，的电阻会随温度下降而很快增加，结果光电流改变了阴极的电位分布，从而影响第一

22、倍增极结果光电流改变了阴极的电位分布，从而影响第一倍增极的光电子收集效率的光电子收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，否则可能会引起阴极和倍增极材料致冷温度不能过低，否则可能会引起阴极和倍增极材料的损坏，或者是玻壳封结处裂开的损坏，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2351015I IA A( (A)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

23、，它表示阳极电流特性示于图中，它表示阳极电流 I IP P 对于最后一级倍增极和阳极间的电对于最后一级倍增极和阳极间的电压压U U的关系。如右下图可知，当阳极的关系。如右下图可知，当阳极电压大于一定值后阳极电流趋向饱电压大于一定值后阳极电流趋向饱和，与入射到阴极面上的光通量成和，与入射到阴极面上的光通量成线性关系。线性关系。1 1）阴极伏安特性曲线）阴极伏安特性曲线2351015I IK K(nA)(nA)UK(V)5050100100它表示阴极电流它表示阴极电流 I IK K 与与阴极与第一倍阴极与第一倍增极之间电压的关系。如由上图所增极之间电压的关系。如由上图所示，当阴极电压大于一定值后，

24、阴示，当阴极电压大于一定值后，阴极电流开始趋向饱和，与入射光通极电流开始趋向饱和，与入射光通量成线性关系。量成线性关系。光电倍增管具有很宽的动态范围，能够在很大光电倍增管具有很宽的动态范围，能够在很大光强度变化范围内保持线性。但如果入射光强光强度变化范围内保持线性。但如果入射光强过大，输出信号电流就会偏离理想的线性。这过大，输出信号电流就会偏离理想的线性。这主要是由光电倍增管的阳极线性特性引起的；主要是由光电倍增管的阳极线性特性引起的；如果工作电压时恒定的，阴极和阳极的线性就如果工作电压时恒定的，阴极和阳极的线性就仅仅取决于电流值，与入射光的波长无关。仅仅取决于电流值，与入射光的波长无关。I

25、IP P线性区线性区饱合区饱合区光电倍增管的稳定性是指在恒定光照情况下，阳极电流随时光电倍增管的稳定性是指在恒定光照情况下，阳极电流随时间的变化。光电倍增管的稳定性与工作电流、极间电压、运间的变化。光电倍增管的稳定性与工作电流、极间电压、运行时间、环境条件和光照情况等许多因素有关。行时间、环境条件和光照情况等许多因素有关。当入射光或者所加电压以阶跃函数变化时，光电倍增管并不当入射光或者所加电压以阶跃函数变化时，光电倍增管并不能输出完全相同的阶跃函数信号，这种现象称为能输出完全相同的阶跃函数信号，这种现象称为“滞后滞后”。滞后效应主要是由于电子偏离设计的轨迹及倍增极的陶瓷支滞后效应主要是由于电子

26、偏离设计的轨迹及倍增极的陶瓷支架和玻壳等静电作用引起的。架和玻壳等静电作用引起的。光电倍增管的时间响应主要是由从光阴极发射光电子、经过倍增极放大光电倍增管的时间响应主要是由从光阴极发射光电子、经过倍增极放大到达阳极的渡越时间，以及由每个光电子之间的渡越时间差决定的。光到达阳极的渡越时间，以及由每个光电子之间的渡越时间差决定的。光电倍增管的时间响应通常用阳极输出脉冲的上升时间、下降时间、电子电倍增管的时间响应通常用阳极输出脉冲的上升时间、下降时间、电子的渡越时间离散来表示。的渡越时间离散来表示。几乎所有的光电倍增管都会受到周围环境磁场的影响。磁场会使本来由几乎所有的光电倍增管都会受到周围环境磁场

27、的影响。磁场会使本来由静电场确定的电子轨迹产生偏移。这种现象在阴极到第一倍增区域最为静电场确定的电子轨迹产生偏移。这种现象在阴极到第一倍增区域最为明显，因为在这一区域，电子路径最大。在磁场的作用下电子运动偏离明显，因为在这一区域，电子路径最大。在磁场的作用下电子运动偏离正常轨迹，引起光电倍增管灵敏度下降，噪声增加。正常轨迹，引起光电倍增管灵敏度下降，噪声增加。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 高压电源高压电源为了使光电倍增管能正常工作，通常在阴极（为了使光电倍增管能正常工作，通常在阴极（K K）和阳极（）和阳极（P P）之间加上近千伏）之间加上近千

28、伏的高压。为保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增管系统能得到有效放的高压。为保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增管系统能得到有效放大，还需将高压在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间按一定规律进行分配。大，还需将高压在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间按一定规律进行分配。从光电倍增管的工作原理可知，它必须工作在高压状态下，而且光电倍增管对从光电倍增管的工作原理可知，它必须工作在高压状态下，而且光电倍增管对高压电源的稳定性要求比较高。在精密的光辐射测量中，通常要求稳定度在高压电源的稳定性要求比较高。在精密的光辐射测量中，通常要求稳定度在0.01%0.05%0.01%0.05%之间。之间。目前，光电

29、倍增管常用的一种体积小巧的高压电源模块，如左下图所示。调节目前，光电倍增管常用的一种体积小巧的高压电源模块，如左下图所示。调节控制端的电阻或电压值，输出的电压可以在控制端的电阻或电压值，输出的电压可以在-200-1200V-200-1200V之间变化，如右下图之间变化，如右下图所示。所示。光电倍增管工作时，需要在阴极和阳极之间加上光电倍增管工作时，需要在阴极和阳极之间加上500-1000V500-1000V的高压。该高压将以的高压。该高压将以适当的比例分配给聚焦极、倍增极和阳极，保证光电子能被有效地收集，光电流适当的比例分配给聚焦极、倍增极和阳极，保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统得

30、到放大。实际应用中各级间的电压都是由连接于阳极与阴极之间通过倍增系统得到放大。实际应用中各级间的电压都是由连接于阳极与阴极之间的分压电阻所得到的，这一电路被称为高压分压电路。的分压电阻所得到的，这一电路被称为高压分压电路。高压分压电路的接地方式有阳极接地和阴极接地两种方式。高压分压电路的接地方式有阳极接地和阴极接地两种方式。多数情况下采用阳极接地、阴极接负高压的方式，如图所示。此方案消除了外部多数情况下采用阳极接地、阴极接负高压的方式，如图所示。此方案消除了外部电路域阳极之间的电压差，便于电流计或电流电路域阳极之间的电压差，便于电流计或电流- -电压转换运算放大器直接与光电电压转换运算放大器直

31、接与光电倍增管相连接。倍增管相连接。5.4.2 高压分压电路高压分压电路阴极阴极K KA A阳极阳极D D2 2E ED D3 3D D1 1D D4 4D D5 5R R6 6R R3 3R R2 2R R1 1R R4 4R R5 5I IP PbIA5.4.3 分压电流与输出线性的关系分压电流与输出线性的关系 流经分压电路的电流被称为分压电流，该流经分压电路的电流被称为分压电流，该电流与光电倍增管输出电流的线性有着密切关电流与光电倍增管输出电流的线性有着密切关系。如图所示，入射到光电倍增管阴极的光通系。如图所示，入射到光电倍增管阴极的光通量与阳极电流的理想线性关系从一个特定的电量与阳极电

32、流的理想线性关系从一个特定的电流值（流值（B B段）开始发生变化，并最终使光电倍段）开始发生变化，并最终使光电倍增管的输出饱和（增管的输出饱和（C C段）。段）。A段：段：当入射光比较弱时，流经各分压电阻的电流当入射光比较弱时，流经各分压电阻的电流差别不大，所以此时成线性差别不大，所以此时成线性B段：段：当入射光再增强，前面几级所分得的电压明显当入射光再增强，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，而这增大，使它们的二次电子发射系数增大，而这种改变又一步步的被放大，所以使输出电流的种改变又一步步的被放大，所以使输出电流的放大倍数增大放大倍数增大C段：段：当入射光再增强，用电

33、器上的电压降比较大，使最后一级与阳级当入射光再增强，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，使电子的收集率大大降低，从而进入饱之间的电压被显著降低，使电子的收集率大大降低，从而进入饱和区和区一般光电流的最大直流输出为分压电流的一般光电流的最大直流输出为分压电流的1/201/501/201/50，从而使光电流的改变，从而使光电流的改变不能对各分压电阻上的电压造成显著的影响不能对各分压电阻上的电压造成显著的影响 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：1.1.减小分压电阻的阻值来增加分压电流减小分压电阻的阻值来增加分压电流2.2.在最后一倍

34、增极和阳极之间使用一只齐纳二在最后一倍增极和阳极之间使用一只齐纳二极管，如右图所示。如果必要倒数第二、第三极管，如右图所示。如果必要倒数第二、第三极也可以使用齐纳二极管。极也可以使用齐纳二极管。脉冲电流输出、电流变化辅值大，对分压电路要求高。当光电倍增管处于脉脉冲电流输出、电流变化辅值大，对分压电路要求高。当光电倍增管处于脉冲工作状态时，在分压器最后几级电阻上并联去耦电容，如左下图所示。使冲工作状态时，在分压器最后几级电阻上并联去耦电容，如左下图所示。使用去耦电容，可以是串联方式，也可以是并联方式，如右下图所示。用去耦电容，可以是串联方式，也可以是并联方式，如右下图所示。5.4.4 信号输出方

35、式信号输出方式1. 1. 用负载电阻实现电流用负载电阻实现电流- -电压转换电压转换在频率响应要求比较高的场合，负载电阻应尽量可能小一些在频率响应要求比较高的场合，负载电阻应尽量可能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在它上面的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如左图所示，电路的负载电阻为如左图所示，电路的负载电阻为RlRl，光电倍增管的输出电容为，光电倍增管的输出电容为CsCs，那么截止频率为：，那么截止频率为：要确定一个最佳的负载电阻值，

36、还必须考虑连接到光电倍增管上的放大器的要确定一个最佳的负载电阻值，还必须考虑连接到光电倍增管上的放大器的输入阻抗输入阻抗RinRin。因为光电倍增管的有效负载电阻。因为光电倍增管的有效负载电阻R0R0为为RlRl和和RinRin的并联，所以的并联，所以R0R0的阻值要小于的阻值要小于RlRl。分析可知，选择负载电阻时要注意以下分析可知，选择负载电阻时要注意以下3 3个方面个方面LscRC21fLinL0RR/RR0U2. 2. 用运算放大器实现电流用运算放大器实现电流- -电压转换电压转换上左图为一个由运算放大器构成的电流上左图为一个由运算放大器构成的电流- -电压转换电路。由于运算放大器的输

37、电压转换电路。由于运算放大器的输入阻抗非常高，光电倍增管的输出电流被阻隔在运算放大器的反相输入端外。入阻抗非常高，光电倍增管的输出电流被阻隔在运算放大器的反相输入端外。因此，大多数的输出电流流过反馈电阻因此，大多数的输出电流流过反馈电阻RfRf，这样一个值为，这样一个值为IpRfIpRf电压就分配在电压就分配在RfRf上。另一方面，运算放大器的开环增益高达上。另一方面，运算放大器的开环增益高达1010的的5 5次方，其反相输入端的电位次方，其反相输入端的电位与正相输入端的电位保持相等。因此，运算放大器的输出电压与正相输入端的电位保持相等。因此，运算放大器的输出电压为了防止光电倍增管输出端发出高压，采用由上图所示的由一只电阻为了防止光电倍增管输出端发出高压，采用由上图所示的由一只电阻RpRp和二极和二极管管VD1VD1及及VD2VD2组成的保护电路可以防止前置放大器被损坏。这两个二极管应有最组成的保护电路可以防止前置放大器被损坏。这两个二极管应有最小的漏电流和结电容，通常采用一个小信号放大晶体管或小的漏电流和结电容，通常采用一个小信号放大晶体管或FETFET的的B-EB-E结。一般结。一般RpRp的选择范围在几千欧至几十千欧之间。的选择范围在几千欧至几十千欧之间。fPRIU00+5.5 微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管微通道的排列+高压电子入口电子出口微通道板的结