第三章光电检测技术常用器件及应用6

1、1、光电器件的类型与特点2、光电检测器件的特性参数3、光电导器件-光敏电阻4、光生伏特效应-光电池、光电二极管、光电三极管等5、光电发射效应-光电管、光电倍增管等主要内容主要内容6、光热效应-热敏电阻、热电偶光电子发射探测器n在光辐照下，光敏材料中的电子得到足够的能量便会逸出光敏材料表面而进入外界空间(真空或气体)，这种现象称为光电子发射效应或称外光电效应。外光电效应的两个实验规律n1、光电特性当光照射到光阴极上的入射光频率不变时，在外加电压一定的条件下，光电流与入射光通量成正比n2、阈值频率n光电子的最大初始动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关。光电管光电管光电倍增管光电倍增管像增强

2、管像增强管 光电管的外形和结构如图所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为(12)m2 A-hm2121光电管光电管2. 光电倍增管 光电倍增管（PMT）是典型的光电子发射型探测器，其主要特点是：灵敏度高，稳定性好，响应速度快以及噪声小；但结构复杂，工作电压高和体积大。它是电流放大器件，具有很高的电流

3、增益，特别适用于微弱光信号的探测。光电管光电管1.真空光电管真空光电管或充气优点：优点：光电阴极面积大，灵敏度较高，光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达一般积分灵敏度可达20200A/lm；暗电流小，最低可达暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短光电发射弛豫过程极短体积都比较大；体积都比较大；工作电压高达百伏到数百伏；工作电压高达百伏到数百伏；玻壳容易破碎等玻壳容易破碎等 光阳极 A阴极 K光透射型反射型国产光电管的代号用字符国产光电管的代号用字符GD表示。表示。光电管有反射型和透射型两种光电管有反射型和透射型两种光电倍增管是一种是一种基于外光电效应基于外光电效应和二次

4、电子发射效应的和二次电子发射效应的电子真空器件。它利用电子真空器件。它利用二次电子发射使逸出的二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。它测量微弱的光信号。它由由光入射窗、光电阴极、光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极电子光学系统、倍增极和阳极和阳极等部分组成。等部分组成。光电倍增管（Photo-multiple tube简称为）光电倍增管的工作过程1. 工作原理：工作原理：（1）光子透过入射窗口入射在光电阴极上）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）光电阴极上的

5、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，）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二次电子。入射电子经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级倍增级倍增极倍增后，光电子就放大极倍增后，光电子就放大N次；次；（4）经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。）经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。2. 光电倍增管的结构（1）入射光窗口）入射光窗口侧窗型（侧窗型（sideon）:从侧面接收入射光。从侧面接收入射光。l使用不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦

6、使用不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这种结构能够使其在较低的工型电子倍增极结构，这种结构能够使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。作电压下具有较高的灵敏度。l单价比较便宜（一般数百元单价比较便宜（一般数百元/只），在分光光度计、只），在分光光度计、旋光仪和常规光度测定方面具有广泛的应用。旋光仪和常规光度测定方面具有广泛的应用。端窗型（端窗型（headon）：从顶部接收入射光。）：从顶部接收入射光。l入射窗的内表面上沉积了半透明的光阴极（透过入射窗的内表面上沉积了半透明的光阴极（透过式光阴极），这使其具有优于侧窗型的均匀性。式光阴极），这使其具有优于侧窗型的均匀性。l其

7、价格一般在千元以上。其价格一般在千元以上。窗口窗口材料材料：硼硅玻璃；透紫外玻璃；石英；蓝宝石；MgF2等。主要考虑透过率透过率和短波限短波限。 通过适当设计的电极结构，使前一级发射出来的电子尽可通过适当设计的电极结构，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一级的收集能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一级的收集率接近于率接近于1；2.使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的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，即渡越时间离散最小。时间尽可能相同，即渡越时间离散最小。倍增极间的电子束是平行的。如：倍增极间的电子束是平行的

8、。如：百叶窗型、盒栅式。百叶窗型、盒栅式。瓦片式、圆形鼠笼式瓦片式、圆形鼠笼式（2）倍增极结构倍倍 增增 极极结构形式结构形式特特 点点聚聚焦焦型型直瓦直瓦片式片式极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可能能积累电荷积累电荷而影响电子光学系统的稳定性而影响电子光学系统的稳定性圆瓦圆瓦片式片式结构紧凑，体积小，但结构紧凑，体积小，但灵敏度灵敏度的均匀性差的均匀性差些。些。非非聚聚焦焦型型百叶百叶窗式窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有的电子可能越级穿过

9、，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡收集率较低，渡越时间零散较大。越时间零散较大。盒栅盒栅式式收集率较高（可达收集率较高（可达95%），结构紧凑，但），结构紧凑，但极间电子极间电子渡越时间零散较大渡越时间零散较大。 光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流低和噪声，还能够在的响应速度、极低的暗电流低和噪声，还能够在很大范围内调整内增益。因此，它在微光探测、很大范围内调整内增益。因此，它在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。应用。 光电倍增管的典型应用 光通过物质时使

10、物质的电子状态发生变化，而失去部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。质吸收程度，计算出物质的量。 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 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。对应于分析的各广泛地应用

11、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到被测物质上，用光电倍增管检测光被吸收的强度，状态到被测物质上，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。并与预先得到的标准样品比较。 一、光谱学 - 利用光吸收原理 二、利用发光原理. .发光分光光度计发光分光光度计 样品接受外部照射光的能量会产生发光，利用单色器将这种光的特征光谱线显示出来，用光电倍增管探测出特征光谱线强度。这种方法可以迅速检查出样品中的元素。 . .荧光分光光度计荧光分光光度计 荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子

12、生物学原理。物质受到光照射，发射长波的发光，这种光称为荧光。用光电倍增管检测荧光的强度及光谱特性，可以分析样品成份。 3.3.拉曼分光光度计拉曼分光光度计 用单色光照射物质后被散乱，这种散乱光中，只有物质特有量的不同波长光混合在里面。这种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物质进行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要复杂的光路系统，并且采用单光子计数法。 三、质量光谱学与固体表面分析三、质量光谱学与固体表面分析 固体表面分析固体表面分析 固体表面的成分和结构，可以用极细的电子、离子、光或X射线的束流，入射到物质表面，对表面发出的电子、离子、X射线等进行测定来分析。这种技术在半导体

13、工业领域被用于半导体的检查中，如缺陷、表面分析、吸附等。电子、离子、X射线一般采用电子倍增器或MCP来测定。 四、环境监测四、环境监测 尘埃粒子计数器尘埃粒子计数器 尘埃粒子计数器检测大气或室内环境中悬浮的粉尘或粒子的密度。它利用了尘埃粒子对光的散乱或射线的吸收原理。 浊度计浊度计 当液体中有悬浮粒子时，入射光会粒子被吸收、折射。对人的眼睛来看是模糊的，而浊度计正是利用了光的透过折射和散射原理，并用数据来表示的装置。 五、生物技术五、生物技术 细胞分类细胞分类 细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后，用激光照射，细胞的荧光、散乱光用光电倍增管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置 荧光计荧光计 细

14、胞分类的最终目的是分离细胞，为此，有一种用于对细胞、化学物质进行解析的装置，它称为荧光计。它对细胞、染色体发出的荧光、散乱光的荧光光谱、量子效率、偏光、寿命等进行测定。 六、医疗应用六、医疗应用 相机相机 将放射性同位素标定试剂注入病人体内，通过相机可以得到断层图象，来判别病灶。从闪烁扫描器开始，经逐步改良，相机的性能得到快速的发展。光电倍增管通过光导和大面积NaI（Tl）组合成探测器 正电子CT 放射线同位素（C11、O15、N18、F18等）标识的试剂投入病人体内，发射出的正电子同体内结合时，放出淬灭线，用光电倍增管进行计数，用计算机作成体内正电子同位素分布的断层画面，这种装置称为正电子C

15、T。 液体闪烁计数液体闪烁计数 液体闪烁计数应用于年代分析和生物化学等领域。将含有放射性同位素物质溶于有机闪烁体内，并置于两个光电倍增管之间，两个光电倍增管同时检测有机闪烁体的发光。 临床检查临床检查 通过对血液、尿液中微量的胰岛素、激素、残留药物及病毒等对于抗原、抗体的作用特性，进行临床身体检查、诊断治疗效果等。光电倍增管对被同位素、酶、荧光、化学发光、生物发光物质等标识的抗原体的量进行化学测定。 七、射线测定七、射线测定 区域检测仪 可以连续地检测环境辐射水平。它采用光电倍增管与闪烁体组合的方式，完成对低水平的射线和射线的检测。 射线测量仪 射线测量仪采用光电倍增管与闪烁体组合的方式完成对

16、低水平的射线和射线的检测。 八、石油测井应用八、石油测井应用石油测井中用以确定石油沉积位置以及储量等。内藏放射源、光电倍增管和闪烁体的探头进入井中，分析放射源被散射的以及地质结构中的自然射线，判断油井周围的地层类型 及密度九、彩色扫描九、彩色扫描 彩色图片或照片进行印刷时，需要将其颜色进行分色扫描。分色是用光电倍增管和滤光片，把彩色分解成三原色（红、绿、兰）和黑色，作为图象数据读出。 十、工业计测十、工业计测 厚度计厚度计 工业生产中的诸如纸张、塑料、钢材等的厚度检测，可以通过包括放射源、光电倍增管和闪烁体的设备来实现。对于低密度物质，比如橡胶、塑料、纸张等，采用射线源；诸如钢板等的高密度物质

17、则使用射线。（在电镀、蒸发控制等处，镀膜的厚度可使用X射线荧光光度计） 半导体检查系统半导体检查系统 广泛地应用于半导体芯片的缺陷检查、掩膜错位等。芯片的缺陷检查装置中用光电倍增管检测芯片被激光照射后，尘埃、污染、缺陷等产生的散乱光。 十一、高能物理十一、高能物理 - - 加速器实验加速器实验 辐射计数器辐射计数器 在2层正交排列的细长塑料晶体的端部，配置光电倍增管，测量带电粒子通过的位置和时间。 契伦柯夫计数器契伦柯夫计数器 这是用于粒子撞击反应时产生的二次粒子识别的装置。二次粒子通过诸如气体这种介质时，具有一定能量的电荷粒子会发出契伦柯夫光，测定这种光的发射角度，可以识别电荷粒子。 十二、

18、中微子、正电子衰变实验，宇宙线检测十二、中微子、正电子衰变实验，宇宙线检测 中微子实验中微子实验 这种实验用于研究太阳中微子、宇宙线粒子物理学。用于发生契伦柯夫光的大量介质。在其周围配置很多大直径光电倍增管，当中微子等的宇宙射线同介质发生相互作用，就会产生契伦柯夫光。光电倍增管探测到契伦柯夫光，可以解析粒子的飞来方向、能量等。 空气浴计数器空气浴计数器 宇宙线与地球大气撞击时，同大气原子发生作用，生成二次粒子，并进一步生成三次粒子。这样地增加下去，称作空气浴。这种空气浴产生的线、契伦柯夫光，由在地面上排列成格子状的许多光电倍增管来探测。 十三、宇宙十三、宇宙 天体X线探测 来自宇宙的X线中，含有很多揭开宇宙之谜的信息。ISAS集团发射了探测超新星发出的天体X线的“阿斯卡”卫星，其中使用的探测器就是位置灵敏光电倍增管和气体正比计数管的组