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1、第五章 真空光电器件,5.1 光电阴极,工作基础：基于外光电效应的光电探测器件结构特点：有一个真空管，其它元件都放在真空管中分类：光电管和光电倍增管,入射光辐射的光子能量足够大时，它和金属或半导体材料中的电子相互作用的结果使电子从物质表面逸出，-光电发射效应。在空间电场的作用下就会形成电流,光电发射体-能够产生光电发射效应的物体,光电阴极-应用中光电发射体常和电源的阴极相连，所以称为,光电发射效应-,5.1.1 光电阴极的主要参数,1.灵敏度,（1）光照灵敏度,在一定的白光照射下，光电阴极光电流与入射的白光光通量之比，也称为白光灵敏度或积分灵敏度,（2）色光灵敏度,当入射光波长为某一段波长范围
2、的光时，光电阴极光电流与入射的光通量之比。通过加滤光片来实现，比如蓝光灵敏度、红光灵敏度、红外灵敏度等,（3）光谱灵敏度,确定波长的单色光照射时，光电阴极光电流与入射的光通量之比。,2.量子效率,入射的光子数与产生的电子数之比,量子效率与光谱灵敏度之间的关系,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,4.热电子发射,由于电子热能较大，而可能逸出阴极表面，而产生热电子发射,室温下典型阴极每秒每平方米发射的热电子可形成10-1610-17A/m2的电流,对于光电测量而言是噪声,5.1.2 光电阴极的分类,透射型：,光通过透明介质射向光电阴极，而电子从光电阴极的另一面发
3、射出去,反射型：,光照射到阴极上，电子从同一测射出,对阴极的厚度有要求,不能太厚,阴极一般较厚,5.1.3 常用的光电阴极材料,1.Ag-O-Cs 材料,2.单碱锑化物,3.多碱锑化物,具有良好的可见和近红外响应透射型：3001200nm，反射型：3001100nm在可见光区域灵敏度较低，所以主要用于近红外探测,紫外和可见光区的灵敏度最高适合于测量较强的入射光,CsSb：,锑和某一种碱金属的化合物,锑和多种碱金属的化合物,具有高灵敏度的宽光谱响应，红外端可延伸到930nm,4.负电子亲合势光电阴极,半导体光电阴极的光电子的逸出过程，,（电子亲合势）,负电子亲合势-,负电子亲合势,加速,特点：,
4、1）量子效率高,-因其逸出深度高的多,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,负电子亲合势光电阴极的阈值波长为,3）热电子发射小,因负电子亲合势的光电材料的禁带宽度一般比较宽,4）光电子的能量集中,5.紫外光电阴极,-“日”盲型光电阴极,CsTe(长波限0.32m）CsI（长波限0.2m),目前比较常用的有,5.2 光电管与光电倍增管,5.2.1 光电管,真空型,充气型：有倍增作用,5.2.2 光电倍增管,光电倍增管比光电管增加的电子光学系统和电子倍增极，因此极大地提高了灵敏度,光电倍增管-是建立在光电子发射效应，二次电子发射效率应基础上，能将微弱光信号转换
5、成光电子并将光电子数目放大的真空光电发射器件。,每一倍增极之间的电压为50-150V。每7-10个光子从光电阴极发射出1-3个电子。电子被加速打在倍增极上，每1个电子可以打出3-6个电子。一直持续下去直到最后一个倍增极,电子数量达到105-108，最后这些电子被吸引到阳极形成电流输出。电流的大小正比于光阴极接受的光子数目，即正比于探测器吸收的辐射通量或照度。,工作原理,1.入射窗口,1）窗口材料,反射式光电阴极,透射式光电阴极,2）常用的窗口材料,硼硅玻璃：透射范围从300nm红外,透紫外玻璃：可透过的最短波长为185nm，但化学稳定性较差,-决定了入射光的透过情况,熔融石英：可透过的最短波长
6、为160nm,蓝宝石：可透过的最短波长为150nm,MgF2:可透过的最短波长为115nm,2.电子光学系统,是指：阴极到第一倍增极之间的电极空间，包括光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。,作用：使光电子尽可能的汇集到第一倍增极上尽量使电子的渡越时间相同,3.电子倍增极,1）二次电子发射原理,二次电子发射系数,材料吸收一次电子的能量，跃迁到高能态，脱离原子的速缚，称为内二次电子内二次电子中速度指向表面的电子向表面运动穿过表面势垒区发射到真空中,2）倍增极材料,主要银氧和锑銫两种化合物，它们即可做光电发射材料，也可做二次电子发射材料氧化物型，氧化镁、氧化钡合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍负电子亲
7、合势材料，如铯激活的磷化镓,一般为3-6个可达20-25个,N1入射光子数N2出射光电数,2）倍增极结构,有聚焦型和非聚焦型两大类。聚焦型-鼠笼式、盒栅式、直线聚焦式非聚焦型-百叶窗式、近贴栅网式、微通道板式,4.阳极,5.3 光电倍增管的主要特性参数,1.灵敏度,1）光谱响应,阴极光谱灵敏度,窗口材料,光电阴极材料,阳极光谱灵敏度,光电倍增管放大系数,2）阴极灵敏度,阴极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比,白光灵敏度单色灵敏度，或光谱灵敏度,以阴极为一极，其它倍增极和阳极连在一起为一极，即无倍增时的光电流与入射辐射通量之比值。,3）阳极灵敏度,阳极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比,白光
8、灵敏度蓝光灵敏度、红光灵敏度各种单色灵敏度,光电倍增管正常工作下的总输出电流与入射辐射通量之比值。,2.放大倍数（增益）,二次电子发射系数与极间电压的关系,C是常数k一般为0.70.8,设第一，第二、第三、第N极的倍增系数分别为：,且电子光学系统的电子收集率为：,则阳极光电电流和阴极电流的关系为,设各倍增系数都为,则：,3.暗电流,正常工作状态下,但无信号光照的情况下,阳极的电流输出,（1）阴极的热电子发射是主要原因。只能通过降低阴极温度来减弱。,（2）支撑电极的绝缘体的漏电。保持清洁,（3）高压电场产生离子反馈,进而形成光反馈,4.噪声,器件本身的散粒噪声：对于一些不连续的量,如电子发射,光
9、子发射,电子流等,其发射率在平均值附近上下起伏,而产生噪声,器件本身的热噪声负载电阻的热噪声光电阴极和倍增极的闪烁噪声(1/f噪声),一般采用冷却的方法来抑制，但有几点要注意.,光电阴极的光谱响应曲线会随温度而变化，光电仪器定标时的工作温度必须和测量温度相同光电阴极（如CsSb)的电阻会随温度下降而很快增加，结果光电流改变了阴极的电位分布，从而影响第一倍增极的光电子收集效率冷却时要防止光入射窗上凝结水汽，引起入射光线的散射，同样在管座上也易引起高压击穿和漏电流致冷温度不能过低，否则可能会引起阴极和倍增极材料的损坏，或者是玻壳封结处裂开,5.伏安特性,2）阳极伏安特性曲线,相应于不同辐射通量值的
10、阳极伏安特性示于图中，它表示阳极电流 IP 对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。作此曲线时，其余各电极的电压保持恒定。,1）阴极伏安特性曲线,它表示阴极电流 IK 与阴极与第一倍增极之间电压的关系。,7.稳定性,-表征阳极电流与阴极光通量之间关系。在一定的光照度范围内，光电倍增管的输出与入射光功率保持正比例关系，但是随着入射光强的增强，在最后几级倍增极上出现较大的电流，倍增极的次级电子发射因大量发射电子而出现疲劳效应，又由于较大的电流形成显著的空间电荷而使电子的加速受阻，因此使增益降低。工作在饱合区时信号会失真。,6.线性,8.滞后效应,9.时间特性,10.磁场特性,5.4 光电倍增管的
11、供电和信号输出电路,5.4.1 高压电源,要求稳定度在0.01%0.05%之间,5.4.2 高压分压电路,1.定义,-将高压分配在各极之间的电路,2.分压电路的接地方法,阴极K,A阳极,D2,E,D3,D1,D4,D5,R6,R3,R2,R1,R4,R5,IP,A,-,阴极K,A阳极,D2,U,D3,D1,D4,D5,R6,R3,R2,R1,R4,R5,RL,IP,Cs,阴极K,A阳极,D2,U,D3,D1,D4,D5,R6,R3,R2,R1,R4,R5,RL,IP,5.4.3 分压电流与输出线性的关系,分压电流：流经分压电路的电流,1.直流信号工作时的线性,A段：,当入射光比较弱时，流经各分
12、压电阻的电流差别不大，所以此时成线性,B段：,当入射光再增强，前面几级所分得的电压明显增大，使它们的二次电子发射系数增大，而这种改变又一步步的被放大，所以使输出电流的放大倍数增大,C段：,当入射光再增强，用电器上的电压降比较大，使最后一级与阳级之间的电压被显著降低，使电子的收集率大大降低，从而进入饱和区,一般光电流的最大直流输出为分压电流的1/201/50，从而使光电流的改变不能对各分压电阻上的电压造成显著的影响,要增大线性输出范围，通常采用两种方法：,减小分压电阻的阻值来增加分压电流在最后一倍增极和阳极之间使用一只齐纳二极管，如果必要倒数第二、第三极也可以使用,2.脉冲信号工作时的线性,5.
13、4.4 信号输出方式,1.用负载电阻实现电流-电压转换,在频率响应要求比较高的场合，负载电阻应尽量可能小一些当输出信号的线性要求较高时，选择的负载电阻应使信号电流在它上面的电压降在几伏以下负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多,2.用运算放大器实现电流-电压转换,0,5.5 微通道板光电倍增管,微通道板的结构：微通道板是由成千上万个直径为1540m、长度为0.61.6mm的微通道组成的，微通道的内壁镀有高阻值的二次电子发射材料。,微通道板的工作原理,1.微通道板,2.微通道板光电倍增管,用微通道板代替传统光电倍增管中的电子倍增器的光电倍增管,为了减小微通道内残存离子的影响，防止雪崩击穿中，通常使用
14、Z形的折线通道,优点：尺寸大为缩小 响应速度大大提高,5.6 光电倍增管的应用,光谱测量,以其光谱响应范围宽而被广泛应用于：生产过程控制、无素的测定、各种化学分析和冶金学分析仪器中,5.6.2 极微弱光信号的测量-光子计数,一般测量范围为：大于10-18W(每秒约10个光子左右)，小于10-14W(每秒约105个光子),5.6.2 射线的探测,1.闪烁计数,-将闪烁晶体与光电倍增管结合在一起来测量高能粒子,2.在医学上的应用,使用光电倍增管时的注意事项：,1.若某一光电倍增管的阴极是用半导体GaAs做成，已知GaAs的电子亲合势为4eV，禁带宽度为1.4eV，则能使这种阴极产生电子发射的长波限
15、是多少？如果通过表面处理，使阴极材料的有效电子亲合势变为-0.6eV，则入射光的长波限为多少？3.若某一光电倍增管阴极与第一倍增级之间的电子收集率为1，各级间的二次电子发射系数均为5，共有12个倍增级，则此光电倍增管的总倍增是多少？若测得阳极电流为50A，则能够测得阴极电流是多少？4.若入射到光电倍增管的光波长为400nm，光电倍增管每秒接收的辐射能量为510-9J，电流增益为1107，阳极电流IA=4mA。则可测得其阴极电流是多少？阴极灵敏度和阳极灵敏度分别是多少？（谱朗克常数h6.610-34J.S，电子的电量为1.610-19库仑）。,5.若某一光电倍增管的阳极电路部分如图4-1（a）所示，工作于不同辐射通量下阳极伏安特性曲线如图4-1（b）所示，已知倍增管工作时的最大入射光通量为2。图中I1=2mA，I2=6mA求光电倍增管正常工作的最大负载电阻值在图中画出最大负载线 在此负载下光通量由1变到2时，输出电压的变化值,1,2,I1,IA,U,I3,50v,（b）,6.说明微通道板和光电倍增管在结构和原理的异同点。,
