光电检测 第六章 真空光电器件PPT

6.1光电阴极第六章真空光电器件真空光电器件是基于外光电效应的光电探测器,包括光电管和光电倍增管两类。其结构特点是有一个真空管,其他元件都放在真空管中。尽管在许多领域，半导体光电器件的性能价格比高于真空光电器件，但由于真空光电器件具有极高的灵敏度及快速响应的特点，因而在微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息的捕捉等方面仍具有一定优势。6.1光电阴极第六章真空光电器件本章内容6.1光电阴极6.2光电管与光电倍增管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光电阴极第六章真空光电器件光电阴极•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作为阴极，故又称为光电阴极。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光电阴极第六章真空光电器件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光电阴极第六章真空光电器件返回光电阴极的灵敏度包括：1）光照灵敏度2）色光灵敏度3）光谱灵敏度光照灵敏度6.1光电阴极第六章真空光电器件•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。即返回780380ekedIS,,其量纲为mA/lm。积分范围的量纲为nm。色光灵敏度6.1光电阴极第六章真空光电器件•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。返回光谱灵敏度6.1光电阴极第六章真空光电器件•确定波长在单色光照射时,阴极输出光电流与入射的单色辐射通量之比。即)()(kIS其量纲为μA/W或A/W。(6-1)返回量子效率6.1光电阴极第六章真空光电器件•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量子效率和光谱灵敏度之间的关系为)()(/)(/)()(S1240qchShqIQe(6-2)(6-3)返回光谱响应曲线6.1光电阴极第六章真空光电器件•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。返回热电子发射6.1光电阴极第六章真空光电器件•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，因而形成暗电流。一般光电发射阴极的暗电流强度相当于10-16~10-18A/cm2的电流密度。•这些热发射电子会引起噪声。返回光电阴极的分类6.1光电阴极第六章真空光电器件光电阴极一般分为与两种。透射型光电阴极反射型光电阴极返回反射型阴极6.1光电阴极第六章真空光电器件•反射型阴极通常•制作在较厚的不透明•介质上，光线照射在•阴极上，光电子会从•照射面发射出来。•如图所示。返回透射型阴极6.1光电阴极第六章真空光电器件•透射型阴极通常•制作在透明介质上，•光线通过透明介质照•射在阴极上，光电子•则从光电阴极的另一•面发射出来。如图所示。返回常用光电阴极材料6.1光电阴极第六章真空光电器件1．Ag-O-Cs材料2．单碱锑化物3．多碱锑化物4．负电子亲合势光电阴极5．紫外光电阴极常用光电阴极材料的特性参数6.1光电阴极第六章真空光电器件返回Ag-O-Cs材料6.1光电阴极第六章真空光电器件•Ag-O-Cs材料是最早使用的•高效光电阴极材料。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。•Ag-O-Cs阴极的光谱范围为300~1200nm，量子效率不高，约为0.5~1%。返回单碱锑化物6.1光电阴极第六章真空光电器件•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（锑铯）阴极•最为常用,在紫外和可见光•区的灵敏度最高。6.1光电阴极第六章真空光电器件•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，阴极可以通过较大的电流。•CsSb光电阴极的禁带宽度约为1.6eV,电子亲和势为0.45eV,光电发射阈值约为2eV。•锑铯阴极的峰值量子效率较高，比银氧铯光电阴极高30多倍，一般可达20~30%。返回多碱锑化物6.1光电阴极第六章真空光电器件•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(Na2KSb)是最实用的一种光电阴极材料，其电子亲和势最低可降到0.25~0.30eV。具有高灵敏度和宽光谱响应，不仅有较高的蓝光响应，还会延伸到近红外区，适用于宽带光谱测量仪。•这种光电阴极材料的使用温度不应超过60℃.返回负电子亲合势光电阴极6.1光电阴极第六章真空光电器件电子亲和势指的是半导体导带底部到真空能级间的能量值，电子亲和势越小，就越容易逸出。如果电子亲和势为零或负值，则意味着电子处于随时可以脱离的状态，用电子亲和势为负值的材料制作的光电阴极，由光子激发出的电子只要能扩散到表面就能逸出，因此灵敏度极高。最常用的负电子亲合势材料是GaAs(Cs)和InGaAs(Cs)。6.1光电阴极第六章真空光电器件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)光电子的能量集中量子效率高6.1光电阴极第六章真空光电器件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。实用的负电子亲合势光电阴极材料有GaAs,InCaAs,GaAsP等，其光谱响应曲线如图所示。它们的量子效率比Ag-O-Cs材料要高10~100倍,而且在很宽的光谱范围内光谱响应曲线较平坦。返回6.1光电阴极第六章真空光电器件正电子亲合势光电阴极的阈值波长为)(12400nmEEAg而负电子亲合势光电阴极的阈值波长为)(12400nmEg(6-4)(6-5)返回热电子发射小6.1光电阴极第六章真空光电器件••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。返回光电子的能量集中6.1光电阴极第六章真空光电器件•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)，很容易发射出去,所以其光电子能量基本上都等于导带底的能量。返回紫外光电阴极6.1光电阴极第六章真空光电器件•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。返回光电管与光电倍增管6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件6.2.1光电管6.2.2光电倍增管返回光电管6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•光电管(PT)主要由玻壳(光窗)、光电阴极和阳极三部分组成，如图所示。•因光电管内或抽成真空•或充入低压惰性气体，•所以有真空型和充气型•两种。6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•光电管的工作电路如图所示。•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。6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•充气型光电管的工作原理是：光照产生的光电子在电厂的作用下向阳极运动，由于途中与惰性气体原子碰撞而使其发生电离，电离过程产生的新电子与光电子一起被阳极•接收，而正离子向反方•向运动被阴极接收，因•此在电路内形成数倍于•真空型光电管的光电流。返回光电倍增管6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•光电倍增管(PMT)是在光电管的基础上研制出来的一种真空光电器件。•光电倍增管的结构如图所示,主要构成部分：••入射窗口；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光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•①光子透过入射窗口入•射在光电阴极K上。•②光电阴极受光照激发，•表面发射光电子。•③光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子数就放大N次。•④经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流Ip，在负载RL上产生信号电压Uo。•返回入射窗口6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•1)窗口形式•光电倍增管的光窗是入射光的通道，光窗通常有侧窗和端窗两种类型，如图所示。•*6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•2)光电倍增管常用的窗口材料•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。光电倍增管常用的窗口材料有:•(1)硼硅玻璃*•(2)透紫外玻璃•(3)熔融石英•(4)蓝宝石•(5)MgF2返回光电阴极6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•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结构，一般应用于光谱仪和发光强度测量。•端窗式光电倍增管通常使用半透明式光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面。返回电子光学系统6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•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。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。用渡越时间离散性△t表示。返回电子倍增极6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件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光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•*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N1，从倍增极表面发射的电子为二次电子N2。*定义该材料的二次发射系数σ为12NN(6-6)6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•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子；•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。返回倍增极材料6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•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。返回倍增极结构6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•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。(1)鼠笼式(2)盒栅式(3)直线聚焦式(4)百叶窗式(5)近贴栅网式(6)微通道板式6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件下表归纳出了上述6种倍增极结构的端窗式光电倍增管的典型指标的比较。返回鼠笼式6.2光电管与光电倍增管第六章真空光电器件•鼠笼式结构和不透明光电电极相配合，可以做成小巧紧凑的聚焦性光电倍增管。•所有侧窗式光电倍增管及某些端窗式光电倍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。脉冲信号的上•升时