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1、第三章 光电检测器件,一. 光电器件的基本特性参数 二. 真空光电器件 三. 半导体光电器件 四. 光电检测器件的性能比较,光电检测器件,第二节：真空光电探测器件 一、光电发射材料 材料种类：纯金属材料、半导体材料，表面吸附其他元素的金属。 良好的光电发射材料的具备条件： 光吸收系数大； 光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其逸出深度大； 表面势垒低，使表面逸出几率大。,常用的光电阴极材料,反射系数大(约为99) 、吸收系数小、碰撞损失能量大、逸出功大适应对紫外灵敏的光电探测器。,光吸收系数大得多，散射能量损失小，量子效率比金属大得多光谱响应：可见光和近红外波段。,金属：,半导体：,常规

2、光电阴极,负电子亲和势阴极,半导体材料广泛用作光电阴极,（1）、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极,1、常规光电阴极,峰值波长：350nm, 800nm,光谱响应范围约300-1000nm； 量子效率约0.5； 使用温度100C； 暗电流大。,最早的光电阴极，主要应用于近红外探测,（2）单碱锑化物：,金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，能形成具有稳定光电发射的发射体。 最常用的是锑化铯（CsSb），其阴极灵敏度最高，量子效率为1525，蓝光区量子效率高达30%，长波限为：600nm。广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。光谱响应范围较窄对红光红外不灵敏,CsSb阴极最为常用，紫外和可见

3、光区的灵敏度最高,（3）多碱锑化物：,SbNaKCs 最实用的光电阴极材料，高灵敏度、宽光谱，红外端延伸930nm，用于宽带光谱测量仪，扩展到近红外。,（4）紫外光电阴极,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，这种阴极通常称为“日盲”型光电阴极。,“日盲”型光电阴极,实用的两种：,碲化铯(CsTe)长波限为0.32m,碘化铯(Csl) 长波限为0.2 m。,响应范围(100280nm),2. 负电子亲和势阴极,两个问题： 1.什么是负电子亲和势 2.为什么NEA阴极的量子效率高于正电子亲和势阴极？,2. 负电子亲和势阴极,价带中的电子吸收光子能量，跃迁到导带底以上，成为热电子

4、（受激电子能量超过导带底的电子）。在向表面运动的过程中，由于碰撞散射而发生能量损失，故很快就落到导带底而变成冷电子（能量恰好等于导带底的电子）。,热电子的平均寿命非常短，约 10-1410-12s。如果在这么短的时间内能够运动到真空界面，自然能逸出。但是热电子的逸出深度只有几十纳米，绝大部分电子来不及到达真空界面，就已经落到导带底变成冷电子了。 冷电子的平均寿命比较长，约 10-910-8s，。对于NEA来说，因为体内冷电子能量仍高于真空能级，所以它们运动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常规发射体高得多。,NEA与PEA的对比（见书60页）,Photomultiplier

5、Tube 简称PMT,1.基本结构,二、 光电倍增管,电子光学系统,光电倍增管（PMT）是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。,光电倍增管的结构及原理 光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。,硼硅玻璃（无钾玻璃） 常用的玻璃材料，可以透过从近红外至300nm的入射光，不适合于紫外区的探测。,透

6、紫玻璃（UV玻璃） 很好地透过紫外光，和硼硅玻璃一样被广泛使用。分光应用领域一般都要求用透紫玻璃，其截止波长可接近185nm。,窗口材料,合成石英,紫外光波长延伸至160nm,氟化镁（镁氟化物）极好的紫外线透过性，接近115nm，,蓝宝石 紫外光波长延伸至150nm,当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。 因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。,光电检测器件,说明： 阴极室的结构与光阴极

7、K的尺寸和形状有关,它的作用是把阴极在光照下由外光电效应产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一打拿极D1的表面上。 二次发射倍增系统是最复杂的部分。打拿极主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。 常用的打拿极材料有锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。打拿极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。,光电检测器件,在各打拿极 D1、D2、D3和阳极A上依次加有逐渐增高的正电压,而且相邻两极之间的电压差应使二次发射系数大于1。这样,光阴极发射的电子在D1电场的作用下以高速射向打拿极D1,产生更多的二次发射电子,于是这些电子又在D2电场的作用下向D2飞去。如

8、此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极收集。,光电检测器件,3、分类 “聚焦型”和“非聚焦型” 电子倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型的打拿极把来自前一级的电子经倍增后聚焦到下一级去，两极之间可能发生电子束轨迹的交叉。非聚焦型又分为圆环瓦片式（即鼠笼式）、直线瓦片式、拿栅式和百叶窗式。 聚焦型光电倍增管，电子在其中飞行的时间较短，飞行时间的涨落也小，它适用于要求分辨时间短的场合；,光电检测器件,非聚焦型光电倍增管， 由于极与极之间没有聚焦场，电子损矢较大，为了要得到较大的电子倍增，就要增加倍增极数目，相应地也就增加了飞行时间及其涨落，所以这种管子的时间分辨本领较差，

9、其优点是同样大小的光脉冲照射到光阴极不同部位时，阳极灵敏度变化不大，最后输出的脉冲幅度比较一致，因此作能谱测量时的能量分辨率较好。,光电检测器件,端窗式和侧窗式 端窗式：百叶窗倍增极结构、盒栅倍增极结构、瓦片静电聚焦结构； 侧窗式：圆形鼠笼结构,4、 光电倍增管的主要特性参数,1灵敏度,2电流增益,3光电特性,4光谱特性,5伏安特性,6时间特性,7暗电流,8疲劳特性,9噪声,1灵敏度,光电倍增管的灵敏度：,单位：,阴极灵敏度 A/lm或A/W,阳极灵敏度 A/lm 或 A/W,灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数。,1）阴极灵敏度测试图,照射到光电阴极上的光通量约为10-510-

10、2lm,100V300V,0 V,2）阳极光照灵敏度测试,10-1010-6 lm,各倍增极和阳极都加上适当电压；注明整管所加的电压,2电流增益,阳极电流与阴极电流之比称为电流增益M（内增益）,3、光电特性,阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。,4光谱特性,近红外,远紫外,可见光,短波限 窗口材料限制,长波限 阴极材料限制,5、暗电流 （1）定义：无光照时，PMT的输出电流。 （2）引起暗电流的因素： （主要暗电流）光电阴极第一倍增极的热电子发射； （极间漏电流）各级绝缘体强度不够或极间灰尘放电； 离子光的反馈作用（抽真空技术受限）； 场致发射，尖端放电（尖

11、端，棱角，边缘的高压放电）； 放射性同位素宇宙射线的影响。,（3）减小暗电流的方法： 选好PMT的极间电压； 在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿； 在倍增输出电路加一选频或锁相放大滤掉暗电流； 利用冷却法减小热电子发射等。,6、伏安特性,Ia,VaDn,E3,E2,E1,E3E2E1,图5 PMT的阳极伏安特性,光电检测器件,7、频率响应 响应时间可达0.23ns 8、PMT的噪声 一般来说，选PMT总是使热噪声远小于器件固有的散粒噪声，所以PMT主要考虑散粒噪声，而不考虑热噪声。,光电检测器件,5、供电电路 分压器电阻 分压器本身不是光电倍增管的一部分，但为使其正常工作又是一个不可

12、缺少的部分。它的作用是使光电倍增管中从光电阴极到依次各二次极最后到阳极的电位逐渐升高，使光电子顺利完成电子倍增过程，在各种类型的分压器中，用得最多也最简单的是电阻分压器，按照各极间所需电压的比例采用相应的电阻值，使总电压分配到各极间去。,高压供电电路分压电阻的确定,总电压UAK 在10001500 V之间，倍增极极间电压UD在80100V之间可以确定分压电阻,IR,IAmax,高压供电电路分压电阻的确定,实例：,说明：,i. 第一级对阴极电流形成影响最大,高出2030V ii. 中间级均匀分配 iii. 最后一级,要高,克服空间电荷区的影响.,高压供电电路并联电容的确定,探测光脉冲，最后几级脉

13、冲电流很大，极间电压不稳 最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。,高压供电电路接地方式,缺点：阴极负高压，屏蔽困难，暗电流和噪声大。,优点：屏蔽罩靠近阴极，效果好；暗电流小，噪声低,阳极接地（负高压接法 ）,阴极接地(正高压接法),优点：便于与后面放大器相连，操作安全,缺点：高压不利于安全操作；接耐压很高的隔直电容器。,光电倍增管的应用,1.紫外/可见/近红外分光光度计,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，即可得到被测物质吸收程度，计算出物质的量。,

14、一、光谱测量,2.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，并与预先得到的标准样品比较。,二、极微弱光信号的探测光子计数,现在的光子计数系统，可探测到每秒10-12个光子水平的极微弱光，这种光子计数系统已用于生命科学研究中的细胞分类分析，它先用荧光物质对细胞进行标记，然后根据这些细胞发出的不同的荧光进行分析，可以分离和捕集不同的细胞。也要求光子计数系统的探测器有足够高的量子效率和很低的噪声。,.荧光分光光度计 荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物学原理。物质受到光照

15、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，可以定性或定量地分析样品成份。,3.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,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

16、射线一般采用电子倍增器或MCP来测定。,四、环境监测,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 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,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 细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

17、光光谱、量子效率、偏光、寿命等进行测定。,六、医疗应用,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CT。,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

18、同时检测有机闪烁体的发光。,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,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低水平的射线和射线的检测。,八、资源调查,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

19、的自然射线，判断油井周围的地层类型 及密度,九、工业计测,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 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、摄影印刷,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。,十一、高能物理 - 加速器实验,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 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