第5章光电倍增管

p0eIMhv光子探测器M－光电增益输出光电流光电导探测器：M可以大于1光电三极管：M~102雪崩光电二极管：M~103？？？？M~106第5章光电子发射探测器第5章光电子发射探测器Photoemissivedetector,简称PE探测器－－也称为真空光电器件光电发射器件是基于外光电效应的器件，它包括真空光电二极管、光电倍增管、变像管、像增强管和真空电子束摄像管。光电管：光电倍增管：被半导体光电器件取代极高灵敏度～106快速响应～pS应用：微弱光信号、快速脉冲弱光信号－－也称为真空光电器件第5章光电子发射探测器Photoemissivedetector,简称PE探测器缺点：结构复杂工作电压高体积庞大优点：灵敏度高稳定性好响应速度快噪声小具有外光电效应的材料－－光电子发射体光电子发射探测器中的光电子发射体－－又称为光电阴极光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！第5章光电子发射探测器5.1光电阴极5.2光电管和光电倍增管结构原理5.3光电倍增管的主要特性参数5.4光电倍增管的工作电路第5章光电子发射探测器5.1光电阴极良好的光电发射材料具备的条件：a光的吸收系数大b光电子在体内传输过程中受到的能量损失小c表面势垒低，表面逸出几率大常用的光电阴极材料反射系数大、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：0AE0AE常规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100°C；•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15－25％，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，紫外和可见光区的灵敏度最高（3）多碱锑化物：Sb－Na－K－Cs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0.32μm碘化铯(Csl)－－长波限为0.2μm。响应范围(100—280nm)2.负电子亲和势阴极负电子亲和势材料结构、原理重掺杂的P型硅表面涂极薄的金属Cs，经过处理形成N型的Cs2O。以Si-Cs2O光电阴极为例P型Si的电子亲和势:N型Cs2O电子亲和势:EA1=E0-EC10EA2=E0-EC20体内：P型表面：N型•从Si的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EAe就能逸出表面。对于P型Si的光电子需克服的有效亲和势为EAe=EA2-Ed•由于能级弯曲，使EdEA2,这样就形成了负电子亲和势。体内：P型表面：N型负电子亲和势(体内衬底材料的有效电子亲和势)是负的经典发射体的电子亲和势仍是正的EA1=E0-EC10EA2=E0-EC20EAe=E0-EC10NEA的最大优点：－－量子效率比常规发射体高得多）～）　　　　　（～命　　　　　　　　（寿容易逸出冷电子热电子（导带底以上）价带上电子能量高于能量损失吸收光子s1010s1010891214E0光电发射过程分析：热电子－－受激电子能量超过导带底的电子冷电子－－能量恰好等于导带底的电子NEA量子效率比常规发射体高得多！NEA的优点：量子效率比常规发射体高得多1、量子效率高2、阈值波长延伸到红外区3、由于“冷”电子发射，能量分散小，在成象器件中分辨率极高4、暗电流极小5、延伸的光谱区内其灵敏度均匀式（5－2）与式（1－65）对比μm24.1maxgE1、结构真空光电管构造示意图真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成5.2光电管和光电倍增管的结构原理5.2.1光电管充气型光电管：光电管的特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20～200μA/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等PhotomultiplierTube简称PMT1.基本结构5.2.2光电倍增管电子光学系统1）.入射光窗(a)侧窗式(b)端窗式1）光入射通道2）短波阈值作用：1.基本结构硼硅玻璃（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150nm2）光电阴极作用:1)光电转换能力2)长波波长阈值3)决定整管灵敏度3）电子光学系统作用:1）收集率接近于12）渡越时间零散最小4）.电子倍增极－－由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键部分作用－－倍增10-15级倍增极4）.电子倍增极1）二次电子发射材料一次电子二次电子二次电子发射系数：12nn（1）二次电子发射二次电子发射系数：12nn二次发射系数与一次电子能量关系增大Ep，δ值反而下降不同材料δmax金属：0.5～1.8半导体和介质：5～6负电子亲和势材料：500~δ随Ep增大而增大Epmax约为100～1800eV8.0~7.0,kdkCU内增益极高－－倍增原理（1）二次电子发射入射光照射到光电阴极K上，发射光电子，经电子光学系统加速，聚焦到倍增极上，发射出多个二次电子；电子经n级倍增极，形成放大的阳极电流，在负载RL上产生放大的信号输出。4）.电子倍增极（2）实用的倍增极材料灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体a复杂的半导体型：锑铯和锑铯钾等碱金属化合物化合物，b氧化物型，主要是氧化镁。c合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁等合金。d负电子亲合势发射体。（3）倍增极结构光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成，光电倍增管按倍增极结构可分为聚焦型与非聚焦型两种。非聚焦型光电倍增管有百叶窗型（图a）与盒栅式（图b）两种结构；聚焦型有瓦片静电聚焦型（图c）和圆瓦片式（图d）两种结构。倍增极结构形式特点聚焦型直瓦片式极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性。圆瓦片式结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。非聚焦型百叶窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间零散较大。盒栅式收集率较高（可达95%），结构紧凑，但极间电子渡越时间零散较大。（3）倍增极结构5）．阳极作用：－－收集最末一级倍增极发射出来的二次电子，向外电路输出电流。结构：－－具有较高电子收集率，能承受较大电流密度，在阳极附近空间不产生空间电荷效应。阳极广泛采用栅网状结构。2.工作原理1）.光子透过入射窗口入射在光电阴极上;2).光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中;3).光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上，倍增级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，光电子就放大N次；4).经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。3、光电倍增管分类•1.按进光方式：A侧窗式B端窗式；•2.电极工作方式：A透射式B反射式；•3.倍增极数目：A单极B多极；•4.倍增极系统结构：A盒状B圆笼式C百叶窗式D直线瓦片式•5.光电阴极材料：CsSb、Ag-O-Cs、多碱3、光电倍增管分类5.3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：SK(?)=IK?/??ΦIS/)(KλK单位：阴极灵敏度－－μA/lm或μA/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10-5～10-2lm电子KAD10D1－100V～－300V0VkkIS2）阳极光照灵敏度测试GVEA10-10~10-6lmApIS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）KAKAKASSΦSΦSIIM)())((nn22110KAIInIIM0KAnM例如：δ=4，n=10，M~106－－光电增益M1例如，n＝9～12，测量精度1%电源电压稳定度0.1%。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（图5－9和5－10）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．伏安特性阴极伏安特性阳极伏安特性：光电二极管伏安特性：恒流源－－计算和分析方法相同阳极伏安特性：光电二极管伏安特性：5．伏安特性阴极伏安特性阳极伏安特性：交流微变等效电路恒流源－－计算和分析方法相同6．时间特性器件时间特性(单位：ns)结构上升时间渡越时间渡越时间散差直线聚焦型0.7～31.3～50.37～1.1环形聚焦型3.4313.6盒栅型～757～70～10百叶窗型～760～10外电路时间特性6．时间特性HCe01/1/2πLfCR当电路时间常数较大，倍增管的上限截止频率：倍增管的响应时间输出电路的时间常数7暗电流光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是很小的，一般为~nA，是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。暗电流的来源：①光电阴极和和靠近阴极的倍增极的热电子发射，是PMT暗电流的主要成分—降低PMT的工作温度②光电倍增管的极间漏电流-欧姆漏电---清洁干燥③场致发射降低工作电压残余气体放电离子和光的反馈9、噪声8、疲劳特性部分光电倍增管特性5.4光电倍增管的工作电路－－是保证其正常工作的必要条件，在常用的光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。工作电路：高压供电电路信号输出电路分压电阻的确定并联电容的确定高压电源接地方式高压供电电路－－分压电阻的确定maxAR20~10II总电压UAK在1000～1500V之间，倍增极极间电压UD在80～100V之间－－可以确定分压电阻IRIAmax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20~30Vii.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，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳－－最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。MMkntICnA11数为倍增极的二次发射系3221CCC高压供电电路－－高压电源专用电源：电压波动在0.05％以内高压供电电路－－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。信号输出电路－－交流微变等效电路电流源利用伏安特性：负载电阻设计输出电流输出电压等计算信号输出电路－－用负载电阻实现I/V转换：较大的负载电阻1.频率响应变差2.饱和引起非线性负载电阻太大，阳极电压降低－－饱和引起非线性信号输出电路－－用负载