第5章真空光电器件.

第5章真空光电器件1.光电阴极2.光电管与光电倍增管3.光电倍增管的主要特性参数4.光电倍增管的供电和信号输出电路5.微通道板光电倍增管6.光电倍增管的应用真空光电器件是基于外光电效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都放在真空管中。真空光电器件包括光电管和光电倍增管两类。由于光电倍增管具有灵敏度高、响应迅速等特点，在探测微弱光信号及快速脉冲弱光信号方面是一个重要的探测器件，因此广泛应用于航天、材料、生物、医学、地质等领域。5．1光电阴极能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电发射体在光电器件中常与阴极相连，故又称为光电阴极。在光电管、光电倍增管、变像管、像增强器和一些摄像管等光电器件中，使不同波长的辐射信号转换为电信号，均依靠光电阴极，因此光电阴极关系到光电器件的各项光电性能，是一个相当重要的光电器件。5．1．1光电阴极的主要参数1．灵敏度光电阴极的灵敏度包括光照灵敏度、色光灵敏度和光谱灵敏度。(1)光照灵敏度。在一定的白光(色温2856K的钨丝灯)照射下，光电阴极光电流与入射的白光光通量之比，也称白光灵敏度或积分灵敏度。(2)色光灵敏度。即局部波长范围的积分灵敏度。它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光的白光光通量之比。一般用插入不同的滤光片来获得不同的光谱范围，因滤光片的透射比不同(见图5−1)，它又分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度及红外灵敏。(3)光谱灵敏度。确定波长的单色光照射时，阴极光电流与入射的单色辐射通量之比。2．量子效率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Ne(λ)与入射的光子数Np(λ)之比值，称为量子效率，用符号Q(λ)表示。)()()(peNNQ(5−1)量子效率和光谱灵敏度之问的关系为1240)()(/)(/)()(SqhcShvqIQe(5−2)式中，λ单位为nm；S(λ)为光谱灵敏度，单位为A／W。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，称为光谱响应曲线。4．热电子发射光电阴极中有一些电子的热能有可能大于光电阴极逸出功，因而产生热电子发射。室温下典型阴极每秒每平方厘米发射两个数量级的电子，相当于10-16～10-17A／cm2的电流密度。这些热发射电子会引起噪声。5．1．2光电阴极的分类光电阴极一般分为透射型与反射型两种。透射型阴极通常制作在透明介质上，光通过透明介质后入射到光电阴极上，光电子则从光电阴极的另一边发射出来，所以透射型阴极又称为半透明光电阴极。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的厚度。不透明阴极通常较厚，光照射到阴极上，光电子从同一面发射出来，所以不透明5．1．3常用光电阴极材料1．Ag−O−Cs材料Ag−O−Cs材料具有良好的可见和近红外响应。使用Ag−O−Cs材料的透射型阴极的光谱响应可从300nm到1200nm，反射型阴极的光谱响应略窄一些，从300nm到1100nm。与其他材料的光电阴极相比，Ag−O−Cs阴极在可见光区域的灵敏度较低，但在近红外区的长波端灵敏度较高，因而Ag−O−Cs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，如锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，都能形成具有稳定光电发射的发射体。其中，以CsSb阴极最为常用，在紫外和可见光区的灵敏度最高。由于CsSb光电阴极的电阻相对于多碱锑化物光电阴极的电阻较低，适合于测量较强的入射光，这时阴极可以通过较大的电流。3．多碱锑化物这是指锑Sb和几种碱金属形成的化合物，包括双碱锑材料Sb−Na−K、Sb−K−Cs和三碱锑材料Sb−Na−K−Cs等，其中Sb−Na−K−Cs是最实用的一种光电阴极材料，具有高灵敏度和宽光谱响应，其红外端可延伸到930nm，适用于宽带光谱测量仪。4．负电子亲合势光电阴极前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲合势(PEA)类型，表面的真空能级位于导带之上。如果给半导体的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲合势变为负值，经这种特殊处理的阴极称为负电子亲合势光电阴极(NEA)。负电子亲合能材料主要是第Ⅲ−V族元素化合物和第1I−Ⅵ族元素化合物。最常用的是GaAs(Cs)和InGaAs(Cs)。其中GaAs(Cs)光电阴极的光谱响应覆盖了从紫外到930nm，光谱特性曲线的平坦区从300nm延伸到850nm，900nm以后迅速截止。InCaAs(Cs)光电阴极的光谱响应较GaAs(Cs)光电阴极向红外进一步扩展。此外，在900～1000nm区域InGaAs(Cs)光电阴极的信噪比要远高于Ag−O−Cs光电阴极。负电子亲合势材料制作的光电阴极与前述的正电子亲合势光电阴极相比，具有以下4个方面的特点。1)量子效率高一般的正电子亲合势光电阴极中，激发到导带的电子必须克服表面势垒才能移出表面，只有高能电子才能发射出去。负电子亲合势阴极因其无表面势垒，所以受激电子跃迁到导带并迁移到表面后，可以较容易地逸出表面。受激电子在向表面迁移过程中，因与晶格碰撞，使其能量降到导带底而变成热化电子后，仍可继续向表面扩散并逸出表面。所以负电子亲合势光电阴极的有效逸出深度要比正电子亲合势阴极大得多。例如普通多碱阴极只有几十纳米，而GaAs负电子亲合势光电阴极的逸出深度可达数微米，因此负电子亲合势光电阴极的量子效率较高。实用的负电子亲合势光电阴极材料有GaAs、InGaAs、GaAsP等，其光谱响应曲线如图5−3所示。它们的量子效率比Ag−O−Cs材料要高10～102倍，而且有很宽的光谱范围内光谱响应曲线较平坦。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AgEE12400(nm)(5−3)而负电子亲合势光电阴极的阈值波长为gE12400(nm)(5−4)对于禁带宽度比GaAs更小的多元Ⅲ−V族化合物光电阴极来说，响应波长还可向更长的红外延伸。3)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比，负电子亲合势材料的禁带宽度一般比较宽，所以热电子不容易发射，一般只有10-16A／cm2。4)光电子的能量集中当负电子亲合势光电阴极受光照时，被激发的电子在导带内很快热化(约10-12s)并落入导带底(寿命达10-9s)，热化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本上都等于导带底的能量。光电子能量集中，对提高光电成像器件的空间分辨力和时间分辨力都有很大意义。5．紫外光电阴极在某些应用中，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。目前比较实用的紫外光电阴极材料有碲化铯(CsTe)和碘化铯(CsI)两种。CsTe阴极的长波限为0.32μm，而CsI阴极的长波限为0.2μm。5．2光电管与光电倍增管5．2．1光电管光电管主要由玻壳(光窗)、光电阴极和阳极三部分组成，如图5−4所示。工作电路如图5−5所示。因光电管内有抽成真空或充入低压惰性气体，，所以有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光电管的光电流。5．2．2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光电器件，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。光电倍增管的结构如图5−6所示，光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极5个主要部分组成。1．入射窗口1)窗口材料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关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。光窗通常有侧窗和端窗两种类型，如图5−7所示。侧窗式光电倍增管是通过管壳的侧面接收人射光，而端窗式光电倍增管是通过管壳的端面接收入射光。侧窗式光电倍增管一般使用反射式光电阴极，而且大多数采用鼠笼式倍增极结构，如图5−7(a)所示，它一般应用在光谱仪和发光强度测量中。端窗式光电倍增管通常使用半透明光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面。光电阴极接收入射光，向外发射光电子。如图5−7(b)所示。2)光电倍增管常用的窗口材料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，它们的透过率如图5−8所示，下面简单讨论这些材料的特性。(1)硼硅玻璃。硼硅玻璃通常被称为科伐玻璃，这是因为硼硅玻璃的膨胀系数非常接近科伐(Kovar)(铁镍钴合金)。硼硅玻璃的透射范围从300nm到红外。有一些使用双碱光阴极的端窗式光电倍增管采用特殊的无钾硼硅玻璃，这种玻璃仅含有极少量的放射性同位素钾(40K)，因而可以大大降低由钾引起的背景噪声，所以能较好地应用于闪烁计数。(2)透紫外玻璃。透紫外玻璃的优点是紫外短波透射截止波长可延伸到185nm。但就热膨胀特性而言，这种玻璃属钼组玻璃，它可以和科伐合金直接封接。其缺点是化学稳定性较差，长期暴露在空气中易风化变质。透紫外玻璃和硼硅玻璃一样，应用比较普遍。(3)熔融石英。熔融石英(熔融二氧化硅)的优点是在远紫外区有相当好的透过率，短波截止波长可达到160nm。它的缺点是热膨胀系数与用于管脚的科伐相差太大，不适合作芯柱材料，仅用于管子的头，需要通过过渡玻璃管壳才能封接到钼组玻璃上。(4)蓝宝石。蓝宝石是一种A12O3晶体，它的特点是紫外透过率处于熔融石英和透紫外玻璃之间，但紫外截止波长比石英玻璃还要短，可以达到150nm。蓝宝石经金属化处理以后，不需要过渡材料可用铜焊封接到科伐上，因此整个管子的长度可以做得比较短。(5)MgF2。MgF2短波透射波长可到115nm。2．电子光学系统电子光学系统是指阴极到倍增系统第一倍增极之间的电极空间，其中包括光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。电子光学系统的主要作用有两点。①使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比。倍增极收集电子的能力通常用电子收集率ε0表示。②使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越时间尽可能相等，这样可以保证光电倍增管的快速响应，这一参数通常用渡越时间离散性Δt表示。3．电子倍增极倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。1)二次电子发射原理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，一般把二次发射的电子数N2与入射的一次电子数N1的比值定义为该材料的二次发射系数σ，即12NN(5−5)二次电子发射过程可以分为3个阶段：①材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些受激电子称为内二次电②内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动；③到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发射到真空中，成为二次电子。2)倍增极材料倍增极材料大致可分以下4类。①主要是银氧铯和锑铯两种化合物，它们既是灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体。②氧化物型，主要是氧化镁、氧化钡等。③合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。④负电子亲合势材料，如用铯激活的磷化镓等。3)倍增板结构光电倍增管中的倍增极一般由几级至十五级组成。根据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类。倍增极结构形式如图5−9所示，6种不同的电子倍增极的特点如下所述。(1)鼠笼式。所有侧窗式光电倍增管及某些端窗式光电信增管都采用鼠笼式结构倍增极。最大特点是结构紧凑，时间响应快。(2)盒栅式。广泛用于端窗式光电倍增管。其主要特点是光电子收集率高，均匀性和稳定性较好，但时