光电检测 第六章 真空光电器件

1、6.1光电阴极，第六章真空光电元件，真空光电元件是基于外光电效应的光电检测器，包括光电管和光电倍增管两种。 其结构特点是有真空管，其他零件都在真空管之内。 虽然在许多领域，半导体光电元件的性能价格比高于真空光电元件，但真空光电元件具有极高的灵敏度和高速响应特征，在微弱辐射的检测和高速微弱辐射脉冲信息的捕获等方面仍有一定的优势。 6.1光电阴极，第6章真空光电器件，本章内容：6.1光电阴极，6.2光电管和光电倍增管，6.3光电倍增管的主要性能参数，6.4光电倍增管的供电和信号输出电路，6.5微通道板光电倍增管，6.6光电倍增管的应用，6.1光电阴极，第6章真空光电器件产生光电发射效果的物体称为光

2、电发射体，光电发射体在光电元件中经常作为阴极使用，所以也称为光电阴极。 6.1.1光电阴极的主要参数，6.1.2光电阴极的分类，6.1.3常用光电阴极材料，返回，光电阴极的主要参数，6.1光电阴极，第6章真空光电元件，1 .灵敏度，返回，2 .量子效率，3 .光谱响应曲线，4 .热电子发射，灵敏度，6.1光电阴极第6章光电阴极的灵敏度：1 )光灵敏度，2 )色光灵敏度，3 )分光灵敏度，6.1光电阴极，第6章真空光电器件，照射一定白色光(色温2856K的钨丝灯)的光电阴极光电流与入射的白色光束之比，也称为白色光灵敏度或积分灵敏度。 即，返回，其维度是mA/lm。 积分范围的维数是nm。 色光灵

3、敏度，6.1光电阴极，第6章真空光电器件，即局部波长范围的积分灵敏度。 在特定波长区域中，表示阴极光电流与入射光的白色光束之比。 通常，不同滤波器插入以获得不同的频谱范围。 返回，分光灵敏度，6.1光电阴极，第6章真空光电器件，在照射单色光时，决定阴极输出光电流和入射的单色放射光束的比。 也就是说，其维度是A/W或者A/W。(6-1)，返回，量子效率，6.1光电阴极，第6章真空光电元件，用特定波长的光照射光电阴极时，从该阴极发射的光电子数Ne ()和入射光子数Np ()的比称为量子效率，用符号q ()表示。量子效率与分光灵敏度的关系称为、返回、分光响应曲线、6.1光电阴极、第6章真空光电元件、

4、光电阴极的分光灵敏度或量子效率与入射光波长的关系曲线、分光响应曲线。 回到，热电子发射，6.1光电子阴极，第6章真空光电子部件，光电子阴极的一部分电子的热能有可能错过光电子阴极的功，因此会产生热电子发射，形成暗电流。 一般的光电发射阴极的暗电流强度相当于10-1610-18A/cm2的电流密度。 这些热释放电子会引起噪声。 返回，光电阴极的分类，6.1光电阴极，第6章真空光电器件，光电阴极一般分为两种。 透射型光电阴极、反射型光电阴极、返回、反射型阴极、6.1光电阴极、第6章真空光电器件、反射型阴极通常制作成厚的不透明介质，光照射到阴极上，光电子从照射面发射。 如图所示。 返回，透射型阴极、6

5、.1光电阴极、第6章真空光电器件、透射型阴极通常制作成透明介质，光通过透明介质照射到阴极上，光电子从光电阴极的相反面放出。 如图所示。返回，常用光电阴极材料，6.1光电阴极，第6章真空光电元件，1Ag-O-Cs材料，2单碱锑化合物，3聚碱锑化合物，4负电子亲和力光电阴极，5紫外光电阴极，常用光电阴极材料的特性参数，6.1光电阴极，第6章真空光电元件，返回，ag-o 与其他材料的光电阴极相比，Ag-O-Cs阴极在可见光区的灵敏度低，而在近红外区的长波端灵敏度高，因此Ag-O-Cs光电阴极主要应用于近红外探测。 Ag-O-Cs阴极的光谱范围为3001200nm，量化效率不高，约为0.51%。 返回

6、，单碱锑化合物、6.1光电阴极、第6章真空光电器件、金属锑和碱金属，例如锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合物，可以形成具有稳定的光电发射的发射器。 其中，CsSb (锑铯)阴极最常用，在紫外和可见光区域灵敏度最高。 6.1光电阴极，第6章真空光电器件，因为CsSb光电阴极的电阻比多碱锑化合物光电阴极的电阻低，适合测量强入射光，阴极能通过大电流。 CsSb光电阴极的禁带宽度约为1.6eV，电子亲和力为0.45eV，光电发射阈值约为2eV。 锑铯阴极峰量子效率高，比银氧铯光电阴极高30倍以上，一般达到2030%。 返回，多碱锑化合物、6.1光电阴极、第6章真空光电器件，这是由锑Sb和几个碱金属构成的化

7、合物，含有二碱锑材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三碱锑材料Sb-Na-K-Cs等具有高灵敏度和宽光谱响应，不仅是高蓝色的响应，还扩展到近红外区域，适用于宽带光谱测量仪。 该光电阴极材料的使用温度不得超过60 . 返回，负电子亲和力光电阴极，6.1光电阴极，第6章真空光电元件，电子亲和力是从半导体导带底部到真空能级的能量值，电子亲和力越小越容易逃跑。 如果电子亲和力为零或负值，就意味着电子随时处于可脱离状态，用电子亲和力为负值的材料制成的光电阴极，由于从光子激发的电子只向表面扩散就能逃逸，所以灵敏度极高。 最常用的负电子亲和力材料是GaAs(Cs )和InGaAs(Cs )。6.1光电阴极，

8、第6章真空光电元件，用负电子亲和力材料制作的光电阴极与上述正电子亲和力光电阴极相比，具有以下4个特征。 1 )量子效率高，返回，2 )光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀，3 )热电子发射小，4 )光电子能量集中，量子效率高，6.1光电阴极，第6章真空光电元件，负电子亲和力阴极没有表面势垒，所以激发电子没有导带实用的负电子亲和力光电阴极材料为GaAs、InCaAs、GaAsP等，其光谱响应曲线如图所示。 这些量化效率比Ag-O-Cs材料高10100倍，并且在宽光谱范围内光谱响应曲线是平坦的。 返回，6.1光电阴极，第6章真空光电元件，正电子亲和力光电阴极的阈值波长，另一方面，负电子亲和力光电阴极

9、的阈值波长，(6-4)、(6-5)，返回，热电子发射小，6.1光电阴极，第6章真空光电元件，与光谱响应范围相同的正电子亲和力光电发射材料相比，负电子亲和力材料的禁带宽度返回，光电子的能量集中，6.1光电子阴极，第6章真空光电子器件，负电子亲和力光电子阴极受光时，被激发的电子在传导带内迅速受到热(约10-12s )，落入传导带底部(寿命达到10-9s )，容易发射，因此其光电子能量再者，紫外光电阴极，6.1光电阴极，第6章真空光电元件，在某些应用中，为了消除背景辐射的影响，光电阴极对检测到的紫外辐射信号很敏感，要求不响应可见光，该阴极通常被称为“日盲”型光电阴极。 目前，比较实用的紫外光电阴极材

10、料有碲化铯(CsTe )和碘化铯(CsI )两种。 CsTe阴极的长波长限制为0.32m，CsI阴极的长波长限制为0.2m。 返回，光电管和光电倍增管，6. 2光电管和光电倍增管，第6章真空光电器件，6. 2.1光电管，6. 2光电倍增管，返回，光电管，6. 2光电管和光电倍增管，第6章真空光电器件，光电管(PT )主要是玻璃球(光窗)，光电阴极和阳极三个为了在光电管内形成真空，或填充低压的惰性气体，有真空型和充气型两种。 6. 2光电管和光电倍增管，第6章真空光电器件，光电管的工作电路如图所示。 关于真空光电管的工作原理，入射的光从光窗照射到光电阴极时，后者发射光电子，光电子被电场加速，被阳

11、极收集，形成的光电流的大小主要由阴极灵敏度和光强度等决定。 6. 2光电电子管和光电倍增管，第6章真空光电子器件，充气光电子管的工作原理是，产生的光电子在发电站的作用下向阳极运动，中途与惰性气体原子碰撞电离，电离过程产生的新电子与光电一起被阳极接收，正离子的反向运动被阴极接收，因此返回，光电倍增管、6. 2光电电子管和光电倍增管、第6章真空光电元件、光电倍增管(PMT )是基于光电电子管所开发的真空光电元件. 光电倍增管的结构如图所示，主要构成部分：入射窗； 光电阴极； 电子光学系统； 电子倍增极阳极。 光电倍增管的工作过程，6. 2光电电子管和光电倍增管，第6章真空光电元件，光子透过入射窗入

12、射到光电阴极k上。 光电阴极被光激发，从表面发射光电子。 光电子通过电子光学系统加速会聚，入射到第1倍增极D1，倍增极发射比入射电子数多的二次电子。 当入射电子以n级倍增极倍增时，光电子数被放大n次。 倍频后的二次电子由阳极p收集，形成阳极光电流Ip，在负载RL上产生信号电压Uo。 返回，入射窗，6. 2光电电子管和光电倍增管，第6章真空光电元件，1 )窗形式光电倍增管的光窗是入射光的通路，光窗通常有侧窗和端窗两种。 *、6. 2光电电子管和光电倍增管，第6章真空光电子部件，2 )光电倍增管常用的窗材的光窗材的光吸收与波长有关，波长越短吸收越多，因此，倍增管的分光特性的短波阈值由光窗材决定。

13、光电倍增管常用的窗材有： (1)硼硅酸玻璃* (2)透紫外玻璃(3)熔融石英(4)蓝宝石(5)Mg F2、返回、光电阴极、6. 2光电电子管和光电倍增管、第6章真空光电部件、侧窗式光电倍增管一般使用反射式光电阴极端窗型光电倍增管通常使用半透明型光电阴极，光电阴极材料堆积在入射窗的内侧面。 进而，电子光学系统、6. 2光电电子管和光电倍增管、第6章真空光电子部件、电子光学系统在从阴极到倍增系统的第1倍增极间的电极空间中，包含光电子阴极、聚焦极、加速极及第1倍增极. 电子光学系统的主要作用有两个。 尽量把从光电阴极发射的光电子聚集到第1倍增极。 用电子收集率0表示。 *使从阴极面各处发射的光电子通

14、过电子光学系统的时间尽可能相等。 用渡越时间的离散性t表示。返回，电子倍增极，6. 2光电电子管和光电倍增管，第6章真空光电器件，、1 )二次电子发射原理，返回，2 )倍增极材料，3 )倍增极结构，二次电子发射原理，6. 2光电电子管和光电倍增管，第6章真空光电器件，*具有充分动能的电子倍增极入射的电子称为一次电子N1，从倍增极表面放出的电子称为二次电子N2。 *定义该材料的二次放射系数为，(6-6)，6. 2光电电子管和光电倍增管，第6章真空光电子器件，二次电子发射过程分为三个阶段：材料，可吸收一次电子的能量，使体内的电子激发为高能量状态， 这些激发电子被称为内二次电子的内部二次电子中，最初

15、朝向表面的部分到达朝向表面运动的界面的内二次电子中，能量比表面势垒大的电子被释放到真空中，成为二次电子。 返回，倍增极材料，6. 2光电子管和光电倍增管，第6章真空光电子部件，倍增极材料大致可分为以下4种。 主要是银氧铯和锑铯两种化合物，它们既是敏锐的光电发射体，也是良好的二次电子发射体。 氧化物型主要有氧化镁、氧化钡等。 合金类型主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铍等合金。 用铯活化的磷酸镓等负电子亲和力材料。 返回，倍增极构造，6. 2光电电子管和光电倍增管，第6章真空光电元件，光电倍增管的倍增极一般由几级到十五级构成。 根据电子的轨迹，分为聚焦型和非聚焦型两种。 (1)笼式、(2)箱栅式、(

16、3)直线聚焦式、(4)盲式、(5)近栅式、(6)微通道板式、(6. 2光电管和光电倍增管，第6章真空光电器件，下表总结了上述6种倍增极结构的端窗式光电倍增管的典型指标的比较。 再者，若组合笼式、6. 2光电子管和光电子倍增管、第6章真空光电子部件、笼式构造和不透明光电子电极，就能制作出紧凑且聚焦性的光电子倍增管. 所有的侧窗式光电倍增管和一些侧窗式光电倍增管采用笼式结构倍增极。 最大的特征是结构紧凑，时间响应快。 脉冲信号的上升时间达到纳秒电平。 返回，盒栅式、6. 2光电电子管和光电倍增管、第6章真空光电子部件、盒栅式的倍增极由1/4圆弧盒构成。 该结构容易小型化，小型光电倍增管多采用该结构。 广泛应用于端窗式光电倍增管。 其主要特征是光电子收集率高，均匀性和稳定性好，但时间响应