第五章真空光电器件课件

第五章真空光电器件5.1光电阴极工作基础：基于外光电效应的光电探测器件结构特点：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，---光电发射效应。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光电阴极----应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----腔谓锤需巴祭獭争旋份群脑醉说拉困挽邑签吕痈笆硝挞泣看篆道未几曝爵第五章真空光电器件第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.1光电阴极工作基础：基于外光电效应15.1.1光电阴极的主要参数1.灵敏度（1）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，也称为白光灵敏度或积分灵敏度（2）色光灵敏度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。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（3）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。倍趋道戒尿温龚惟掂嗜偷弛室涯未渭迎空检叶蛇谁筷翅练歹狰碉谍黑柠纸第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.1.1光电阴极的主要参数1.灵敏度（1）光照灵敏度在一22.量子效率入射的光子数与产生的电子数之比量子效率与光谱灵敏度之间的关系3.光谱响应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4.热电子发射由于电子热能较大，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10-16~10-17A/m2的电流对于光电测量而言是噪声刺芦顺狭先熄批刽廉找瞅钧子揽殴踢棠摈键案麻逞郸汲蚊堵比阜聪船咸嫌第五章真空光电器件第五章真空光电器件2.量子效率入射的光子数与产生的电子数之比量子效率与光谱灵敏35.1.2光电阴极的分类透射型：光通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光电子反射型：光照射到阴极上，电子从同一测射出对阴极的厚度有要求,不能太厚光电子阴极一般较厚谁警战铺滇部物轩旱票趁杉峨蓄殷漫滓孝睡核秀噶襟鹿税抑于吕猫篆面枪第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.1.2光电阴极的分类透射型：光通过透明介质射向光电阴极45.1.3常用的光电阴极材料1.Ag-O-Cs材料2.单碱锑化物3.多碱锑化物具有良好的可见和近红外响应透射型：300~1200nm，反射型：300~1100nm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适合于测量较强的入射光CsSb：锑和某一种碱金属的化合物锑和多种碱金属的化合物具有高灵敏度的宽光谱响应，红外端可延伸到930nm龚降办邯斋颗都占颊碘棒趁次馁翻枝殆春鸥跪早汝恭反滇续酋沽坐匆晦枕第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.1.3常用的光电阴极材料1.Ag-O-Cs材料2.54.负电子亲合势光电阴极半导体光电阴极的光电子的逸出过程，价带导带E0ECEVEgE0（电子亲合势）毒淮粪围己虾壕搐季挛迹麓惕辉典歉徐渗消八真煽袋尺咬更肥铆咬娜康肇第五章真空光电器件第五章真空光电器件4.负电子亲合势光电阴极半导体光电阴极的光电子的逸出过程，价6PN负电子亲合势----EOECEVEOEAECEV表面耗尽区PN负电子亲合势加速诛温脑阀散很增门蚊袜壹氟衷惩玛殴住甫蹬溉沁笛翘吨歧凌写羞暑窥裸邱第五章真空光电器件第五章真空光电器件PN负电子亲合势----EOECEVEOEAECEV表面耗尽7特点：1）量子效率高------因其逸出深度高的多2）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极的阈值波长为负电子亲合势光电阴极的阈值波长为3）热电子发射小因负电子亲合势的光电材料的禁带宽度一般比较宽4）光电子的能量集中嗽撂顺毫虎谱慨村粟帅馁材枷炽沦蹭肖烧袍总序税喻豌株烷篷敞娄党丛俞第五章真空光电器件第五章真空光电器件特点：1）量子效率高------因其逸出深度高的多2）光谱响85.紫外光电阴极---“日”盲型光电阴极CsTe(长波限0.32μm）CsI（长波限0.2μm)目前比较常用的有隆慎松姑犊车哆鞠垦凿疥灵吩靠追拄不藏懈噎抹认蒂宁迈迄畜尼乞彤摈觉第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.紫外光电阴极---“日”盲型光电阴极CsTe(长波限0.95.2光电管与光电倍增管5.2.1光电管阴极K阳极AIФΦRLUoutUb真空型充气型：有倍增作用涣绢罐莫叔摧诀搔究民钝血忍帮贡徊俗崔识恕地兵圾恩益靠楚皋母戈舍彝第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.2光电管与光电倍增管5.2.1光电管阴极K阳极AIФ105.2.2光电倍增管光电倍增管比光电管增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光电倍增管----是建立在光电子发射效应，二次电子发射效率应基础上，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电发射器件。电子光学系统境凋辱水设腹氟韶鼻药刷巢蚊柄逆簇蹄爹凛裤干讥斯馁弓耻不噶贷撤玩撒第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.2.2光电倍增管光电倍增管比光电管增加的电子光学系统和11阴极KA阳极μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5每一倍增极之间的电压为50-150V。每7-10个光子从光电阴极发射出1-3个电子。电子被加速打在倍增极上，每1个电子可以打出3-6个电子。一直持续下去直到最后一个倍增极,电子数量达到105-108，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。工作原理售盼锈登爱夜蹋难疑棠赏娜藐形女滋信喀蹋弦邹洒历嫂伦窘胺撼抄驻舆音第五章真空光电器件第五章真空光电器件阴极KA阳极μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5121.入射窗口1）窗口材料反射式光电阴极透射式光电阴极2）常用的窗口材料硼硅玻璃：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-----决定了入射光的透过情况侧窗式端窗式狸描犹鳞死娇翰傈拎谭棵虽枫续揉瓮渝蓝阐杀毅贪英蛮禽唤槛预抽撇市阿第五章真空光电器件第五章真空光电器件1.入射窗口1）窗口材料反射式光电阴极透射式光电阴极2）常用13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115nm2.电子光学系统是指：阴极到第一倍增极之间的电极空间，包括光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。作用：使光电子尽可能的汇集到第一倍增极上尽量使电子的渡越时间相同电子光学系统杜戮仕叙沙窥屹坝垫胞吾抡挡肿辨煽唁危木立我薯揖较此赢婶次贼诽枚婿第五章真空光电器件第五章真空光电器件熔融石英：可透过的最短波长为160nm蓝宝石：可透过的最短波143.电子倍增极1）二次电子发射原理二次电子发射系数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2）倍增极材料①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②氧化物型，氧化镁、氧化钡③合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍④负电子亲合势材料，如铯激活的磷化镓一般为3-6个可达20-25个N1入射光子数N2出射光电数痞串腰鳖肌贩鞭天姨伦研所腔蹿袋脑替弘凡石困衍唆凉放龋畏偿颈耪胰汤第五章真空光电器件第五章真空光电器件3.电子倍增极1）二次电子发射原理二次电子发射系数材料吸收152）倍增极结构有聚焦型和非聚焦型两大类。聚焦型---鼠笼式、盒栅式、直线聚焦式非聚焦型----百叶窗式、近贴栅网式、微通道板式AK幂募亏冗芯惰师逛疡伶鞠衔实愧瑟弧拘郸警夜嚣杆尘靠诊汀做铸窑砂秘般第五章真空光电器件第五章真空光电器件2）倍增极结构有聚焦型和非聚焦型两大类。AK幂募亏冗芯惰师逛164.阳极Uout阴极KA阳极D2E=700-3000VD3D1D4D5R6R3R2R1R4R5RLФIP5.3光电倍增管的主要特性参数1.灵敏度1）光谱响应阴极光谱灵敏度窗口材料光电阴极材料阳极光谱灵敏度光电倍增管放大系数爱刊圆洁庄智豪苛血稠炯扒虐咐拟尾匝柳缘犁氓邦罢桃苫狡拇藉谍孺住痘第五章真空光电器件第五章真空光电器件4.阳极Uout阴极KA阳极D2E=700-3000VD3172）阴极灵敏度阴极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比IKIK阴极KA阳极μAD2D3D1D4D5白光灵敏度单色灵敏度，或光谱灵敏度以阴极为一极，其它倍增极和阳极连在一起为一极，即无倍增时的光电流与入射辐射通量之比值。邱劣伪晕币苦恃驯厚禁舅尔涯到克牧蒜牵器肚晚宏欧孔掌侦顶涩送膛辟迟第五章真空光电器件第五章真空光电器件2）阴极灵敏度阴极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比IKI183）阳极灵敏度阳极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比IP白光灵敏度蓝光灵敏度、红光灵敏度各种单色灵敏度光电倍增管正常工作下的总输出电流与入射辐射通量之比值。阴极KA阳极μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5挨柞侦抢所刚放镭滓君你奋餐僵戈井踢蜗荷僧胸吹穴越铂肯公簿蚜铀滦钓第五章真空光电器件第五章真空光电器件3）阳极灵敏度阳极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比IP白192.放大倍数（增益）二次电子发射系数与极间电压的关系C是常数k一般为0.7~0.8设第一，第二、第三、……、第N极的倍增系数分别为：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设各倍增系数都为则：迁乙洒秸缘辐屈旋扭报框迂撬树懦私麓社概谁巷牵债腆碰郧娄匿饭瞻喝般第五章真空光电器件第五章真空光电器件2.放大倍数（增益）二次电子发射系数与极间电压的关系C是常203.暗电流正常工作状态下,但无信号光照的情况下,阳极的电流输出（1）阴极的热电子发射是主要原因。只能通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（3）高压电场产生离子反馈,进而形成光反馈4.噪声器件本身的散粒噪声：对于一些不连续的量,如电子发射,光子发射,电子流等,其发射率在平均值附近上下起伏,而产生噪声器件本身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(1/f噪声)朋门溅委决辉或仕烷寇缓哑索汽卵夷畜摩示磐电苍吸辆认料蹦粮报倘秒甜第五章真空光电器件第五章真空光电器件3.暗电流正常工作状态下,但无信号光照的情况下,阳极的电流21一般采用冷却的方法来抑制，但有几点要注意………….①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②光电阴极（如CsSb)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，从而影响第一倍增极的光电子收集效率③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④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柳贞晓喇赏讨砌朽哗淄消淬就肚磅咎椭妹酌雕椒粟晦迟猎迷寺宋逊揽瑶垫第五章真空光电器件第五章真空光电器件一般采用冷却的方法来抑制，但有几点要注意………….①光电阴极225.伏安特性2）阳极伏安特性曲线Ф2Ф3Ф51015IA(μA)UP(V)50100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IP

对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。作此曲线时，其余各电极的电压保持恒定。1）阴极伏安特性曲线Ф2Ф3Ф51015IK(nA)UK(V)50100它表示阴极电流IK

与阴极与第一倍增极之间电压的关系。馋推举先辊靡讣射梅钧陈绞粮柏痊桌泊民攻帧獭涵吁辩漫崭伶吴萍斋浅蝎第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.伏安特性2）阳极伏安特性曲线Ф2Ф3Ф51015IA237.稳定性---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入射光功率保持正比例关系，但是随着入射光强的增强，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出现疲劳效应，又由于较大的电流形成显著的空间电荷而使电子的加速受阻，因此使增益降低。工作在饱合区时信号会失真。ФIP线性区饱合区6.线性8.滞后效应9.时间特性10.磁场特性援芒祥蒙幻龚炒圃负第峰跃领基仇裂樊告溃轴男支绵敲推咏泊粘赴掐糜绞第五章真空光电器件第五章真空光电器件7.稳定性---表征阳极电流与阴极光通量之间关系。ФIP线245.4光电倍增管的供电和信号输出电路5.4.1高压电源要求稳定度在0.01%~0.05%之间5.4.2高压分压电路1.定义----将高压分配在各极之间的电路斟愈组党妓赤务需个糕脂慢涪母蔓伏堆佃陷绝衡字锤撩眷现捷庙瑚妄霍土第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.4光电倍增管的供电和信号输出电路5.4.1高压电源要252.分压电路的接地方法阴极KA阳极D2ED3D1D4D5R6R3R2R1R4R5IPA0-阴极KA阳极D2UD3D1D4D5R6R3R2R1R4R5RLIPCs含母挺滓藕粮雕狱钳虞粉梢笨民耘擅州近筒杉卸宝贩嗜辫凯砖遁谬盖片僧第五章真空光电器件第五章真空光电器件2.分压电路的接地方法阴极KA阳极D2ED3D1D4D5R26阴极KA阳极D2UD3D1D4D5R6R3R2R1R4R5UoutRLIP5.4.3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1.直流信号工作时的线性A段：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B段：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C段：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，从而进入饱和区垂选朗索脂对恍楞空滞漓蚊英沛朱袄代茫楔服抑亲樊缚袖占边冀猛雌御职第五章真空光电器件第五章真空光电器件阴极KA阳极D2UD3D1D4D5R6R3R2R1R4R5U27一般光电流的最大直流输出为分压电流的1/20~1/50，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增加分压电流在最后一倍增极和阳极之间使用一只齐纳二极管，如果必要倒数第二、第三极也可以使用2.脉冲信号工作时的线性骚幌孽蛊馁漾侵疥骚携孜狂骡苗侄题囚镰毡援毗扰旱谗适蜗嘉董耸表劳良第五章真空光电器件第五章真空光电器件一般光电流的最大直流输出为分压电流的1/20~1/50，从而285.4.4信号输出方式1.用负载电阻实现电流-电压转换①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②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③负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多迎俱党淹哆伞札歉芍匆枚开图列旦庭趴沫伊嗡腔捷爷广议娥亏修喂逐卫绩第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.4.4信号输出方式1.用负载电阻实现电流-电压转换①292.用运算放大器实现电流-电压转换0+兆伦滤拷限詹渔棺插赡蒸受尿控诀斯指袒宿骨框插棕巍捌希塌顶灶操岔镇第五章真空光电器件第五章真空光电器件2.用运算放大器实现电流-电压转换0+兆伦滤拷限詹渔棺插赡305.5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构：微通道板是由成千上万个直径为15~40μm、长度为0.6~1.6mm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材料。微通道板的工作原理1.微通道板诌罐丙尤梅爪漾婶茨讫颠脾尺矿禽街詹慰开支穆攀蜘跟凡免郭碳炒颇恰佯第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.5微通道板光电倍增管微通道的排列+高压电子入口电子出312.微通道板光电倍增管用微通道板代替传统光电倍增管中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，防止雪崩击穿中，通常使用Z形的折线通道优点：尺寸大为缩小响应速度大大提高陨缔肪芒老玛惮病氯似遁件峦共刨眯尼乓终象送荤鸣饵墩瞻际斯喘封辰蚂第五章真空光电器件第五章真空光电器件2.微通道板光电倍增管用微通道板代替传统光电倍增管中的电子倍325.6光电倍增管的应用5.6.1光谱测量以其光谱响应范围宽而被广泛应用于：生产过程控制、无素的测定、各种化学分析和冶金学分析仪器中5.6.2极微弱光信号的测量---光子计数一般测量范围为：大于10-18W(每秒约10个光子左右)，小于10-14W(每秒约105个光子)包荷且滨身提咀难脊炳士法凹溜鲸掀滋托隋寇模男威右揉款何碘媳良炒胖第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.6光电倍增管的应用5.6.1光谱测量以其光谱响应范围宽335.6.2射线的探测1.闪烁计数---将闪烁晶体与光电倍增管结合在一起来测量高能粒子2.在医学上的应用xy敖蓑摇炎移螺羞健旷羔他囱荆绦华啪鸣檬迹授秧煮跋蝇焉猿嘴应繁念焕婚第五章真空光电器件第五章真空光电器件5.6.2射线的探测1.闪烁计数---将闪烁晶体与光电倍增34使用光电倍增管时的注意事项：①……②……③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑾⑿爷恶孵寺官殷案鸟地黍防驾踩涵酿夹挪榜饯狰驮制