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1、光电探测技术第四章,李静,真空光电器件,真空光电发射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。具有极高的灵敏度、快速响应等特点，它在探测微弱光信号及快速脉冲弱光信号等方面仍然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、地质等领域都有相当大的应用。,真空光电器件结构及常见类型,结构：均包括光电阴极、阳极、真空玻璃壳 分类：成像型 非成像型常见器件：真空光电管 光电管 充气光电管 光电倍增管,在光电管、光电倍增管、变象管、象增加器和一些摄像管等光电器件中，使不同波长的各种辐射信号转换为电信号，均依靠光电阴极。因而光电阴极关系到光电器件的各项光电性能。光电发射阴极
2、是光电发射器件的重要部件，它是吸收光子能量发射光电子的部件。它的性能直接影响着整个光电发射器件的性能，为此，首先讨论用于制造光电阴极的典型光电发射材料。,4.1光电阴极,一、光电阴极的主要参数,1.灵敏度(1)光照灵敏度表示光电阴极在一定的白光照射下，阴极光电流与入射的光通量之比。光照灵敏度也称为白光灵敏度或积分灵敏度，单位为uA/lm。(2)色光灵敏度就是局部光谱区域的积分灵敏度。它表示在某些特定的波长区，通常用特性已知的滤光片插入光路，然后测得的光电流与未插入滤光片时阴极所受光照的光通量之比。,式中单位为nm；S()为光谱灵敏度，单位为A/W。,量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方
3、法。它们之间的关系：,(3)光谱灵敏度表示一定波长的单色辐射照到光电阴极上，阴极光电流与入射的单色辐射通量之比，单位为mA/W或A/W。,2.量子效率,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辐射波长的关系曲线，称为光谱响应曲线。真空光电组件中的长波灵敏度极限，主要由光电阴极材料的截止波长 决定。4.热电子发射光电阴极中有少数电子的热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二个数量级的电子，相当于10-1610-17Acm-2的电流密度。这些热发射电子会引起噪声，限制着传感器的灵敏度极限。,二、银氧铯（Ag-O-Cs）光电阴极银氧铯阴极是最早出现的
4、实用光电阴极。目前，除了-族的光电阴极外，它仍然是在近红外区具有使用价值的唯一阴极。银氧铯阴极是以Ag为基底，氧化银为中间层，上面再有一层带有过剩Cs原子及Ag原子的氧化铯，而表面由Cs原子组成，可用Ag-Cs2OAgCs-Cs的符号表示，如图a所示。,Ag-O-Cs光电阴极的光谱响应曲线如图b所示。它的长波灵敏度延伸至红外1.2um，并且有两个峰值，近红外800nm处有一主峰，另一主峰处于紫外350nm。,Ag-O-Cs光电阴极的灵敏度较低。光照灵敏度约为30uA/lm，辐照灵敏度为3mA/W，量子效率在峰值波长处也只有1%，它的热电子发射密度在室温下超过任何其它实用阴极，约为10-1110
5、-14A/cm2。此外，当阴极长期受光照后，会产生严重的疲劳现象，且疲劳特性与光照度。光照波长等都有密切关系，疲劳后光谱响应曲线也会发生变化，因此它的应用受到很大限制。将近红外区具有高灵敏度的Ag-O-Cs阴极和蓝光区具有高灵敏度的Bi-Cs-O阴极相结合，可获得在整个可见光谱范围内具有较均匀响应和高灵敏度的 Bi-Ag-O-Cs光电阴极。该阴极的量子效率达10%，但长波限只有750nm。,三、单碱锑化物光电阴极金属锑与碱金属锂、纳、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阴极的灵敏度最高，是最具有使用价值的光电发射材料，广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。
6、锑铯阴极的典型光谱响应曲线,四、多碱锑化物光电阴极当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应率，其中有双碱、三碱和四碱等，统称为多碱锑化物光电阴极。锑纳钾阴极是双碱阴极中的一种，它的光谱响应与锑铯阴极相近，在峰值波长0.4um处的量子效率达25%，其典型光照灵敏度可到50uA/lm。它的特点是耐高温，工作温度可达到175，而一般含铯阴极的工作温度不能超过60，因此锑钾钠阴极可用于石油探测等特殊场合。锑钾钠铯阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种，它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量子效率。,一般来说，对可见光灵敏度的光电阴极，对紫外光也都具有较高的量子效率。但在某些应用中，为了消除背景噪声的影
7、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，这样阴极通常称为“日盲”型光电阴极。,五、紫外光电阴极,常用的有锑化铯和碘化铯两种。,六、负电子亲和势光电阴极现以Si-CsO光电阴极为例加以说明，它是在p型Si的基质材料上涂一层极薄的金属Cs，经特殊处理而形成n型Cs2O。表面为n型的材料有丰富的自由电子，基底为p型材料有丰富的空穴，它们相互扩散形成表面电荷局部耗尽。与p-n结情况类似，耗尽区的电位下降E，造成能带弯曲，如图b所示。,图a分别表示p型Si和n型Cs2O两种材料的能带图。,本来p型Si的发射临界值是，电子受光激发进入导电带后需克服亲和势才能逸出出表面。现在由于表面
8、存在n型薄层，使耗尽区的电位下降，表面电位降低Ed。光电子在表面附近受到耗尽区内建电场的作用，从Si的导电带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EA2就能逸出出表面。对于p型Si的光电子需克服的有效亲和势为,(1)量子效率高(2)光谱响应延伸到红外、光谱响应率均匀正电子亲和势光电阴极的临界值波长为,而负电子亲和势光电阴极的临界值波长为,(3)热电子发射小(4)光电子的能量集中实用的负电子亲和势光电阴极有GaAs、InGaAs、GaAsP等，其光谱响应曲线如图所示。,4.2光电管与光电倍增管的工作原理,一、光电管光电管主要由光电阴极和阳极两部分组成，因管内有抽成真空或充入低气压惰
9、性气体的不同，所以有真空型和充气型两种。它的工作电路如图所示，阴极和阳极之间加有一定的电压，且阳极接正，阴极接负。,真空型光电管的工作原理 当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴极面上时，光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动，被高电位的阳极收集，其光电流的大小主要由阴极灵敏度和入射辐射的强度决定。充气型光电管的工作原理 光照生电子在电场的作用下运动，途中与惰性气体原子碰撞而电离，电离又产生新的电子，它与光电子一起都被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流。由于光电倍增管工艺的成熟及半导体光电器件的发展，光电管已基本上被上述这些器件所替代。,二
10、、光电倍增管光电倍增管是一种真空光电组件，它主要由光入射窗口、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成，如图a所示。,光电倍增管的工作原理如图b所示。,光电倍增管,1.入射窗口和光电阴极结构光电倍增管通常有侧窗和端窗两种形式。侧窗型光电倍增管是透过管壳的侧面接收入射光，而端窗式光电倍增管是透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a所示。,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。如图b所示。,常用的窗口材料有下列几种：(1)硼硅玻璃，应用广泛，透射光谱范围从300nm到红外，不适合作紫外辐射窗口材料
11、。(2)透紫外玻璃，透紫外性能很好，紫外波段的截止波长约185nm，应用普遍。(3)熔融石英（熔融二氧化硅），透紫外波长可达到160nm。(4)蓝宝石(5)MgF2,常用几种窗口材料的光谱透射比曲线。,实用光电倍增管的阴极光谱响应特性如图4-11和表4-1所示。,2.电子光学系统电子光学系统主要有两方面的作用，使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其它部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比，一般用电子收集率表示；二是使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越的时间尽可能相等，以保证光电倍增管的快速响应，这一参数常用渡越时间的离散型t表示。下面介绍几种典型的结构和性能。图a是最
12、简单的电子光学系统。,图a中：1是光电阴极；2是与光电阴极同电位的金属筒或镀在玻璃壳上的金属导电层；3是带孔膜片；4是第一倍增极。,在图(b)系统中约为10ns，为了使小型光电倍增管的倍增极合理安排在管壳内（具有对称性），充分利用玻璃管内的空间，同时保证有高的电子收集率，可采用图4-12?所示电子光学系统。图中增加了斜劈式圆柱筒电极4，该电极固定在偏心的带孔膜片上，其轴线与阴极的轴线之间的夹角常取20。这种结构的性能与前者相近。,图c所示的是性能最好的一种结构，它采用了球面形光电阴极，并附加了3个圆筒形电极。此时，阴极表面电位分布比较均匀，而且从阴极中心和边缘发射的电子的轨迹长度相差甚小，可使
13、穿越时间的离散性接近于零。,3.电子倍增极(1)二次电子发射具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子，这种现象称为二次电子发射。轰击材料的入射电子称为一次电子，从材料表面发射出的电子称为二次电子。不同材料的二次电子发射能力是不一样的。为表征材料的这种能力，通常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,二次发射过程可以分三步来描述：材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些被激电子称为内二次电子；内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动，在运动过程中因散射而损失能量；如果达到界面的内二次电子仍有足以克服表面势垒的能量，即逸出表面成为
14、二次电子。,材料的二次发射系数随一次电子的能量Ep不同而改变，图4-13表示与Ep的一般关系。其原因是：当一次电子能量过大，电子穿透材料的有效深度增加；尽管激发的内二次电子数有所增加，但许多深层的内二次电子在逸出过程中，由于碰撞散射而损失能量，结果不能逸出，反而使减小。不同的发射材料，当二次发射系数达最大值max时，相应的一次电子能量Epmax 变化很大，约1002000电子伏。,图4-14是几种倍增极材料的二次电子发射特性曲线。,光电倍增管中的二次电子发射材料应具有：在低的工作电压下具有大的值；热电子发射小；在较高温度和较大的一次电子密度条件下，发射系数保持稳定。常用的倍增极材料有：(1)复
15、杂的半导体型(2)合金型(3)负电子亲和势型,(2)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。根据电子轨迹的型式可分为两大类，即聚焦型和非聚焦型。凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚在下一倍增极上，在两个倍增极之间可能发生电子束交叉的结构称为聚焦型。非聚焦型形成的电场只能是电子加速，电子的轨迹都是平行的。根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管分成六种形式，如图所示。,(1)鼠笼式(2)直线聚焦式(3)盒栅式(4)百叶窗式(5)近贴栅网式(6)微通道板式,4.阳极阳极结构比倍增极系统简单得多，它的作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输出电流。对于阳极的结构要求具有较
16、高的电子收集率，能承受较大的电流密度，并且在阳极附近的空间不致产生空间电荷效应。此外，阳极的输出电容要小，即阳极与末级倍增极及与其它倍增极间的电容要很小，因此目前阳极广泛采用栅网状结构。,4.3光电倍增管的主要特性参数,一、灵敏度1.光谱响应阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材料性质。阳极的光谱灵敏度等子阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数的乘积，而其光谱响应曲线基本上与阴极的相同。一般手册上给出光电倍增管的光谱响应的波长范围、峰值波长以及光谱响应曲线代码。,实际使用中还应注意环境温度对光电倍增管光谱响应的影响。图a和b分别表示锑铯光电阴极和多碱光电阴极的光电倍增管光谱响应曲线与温度的关系
17、。,2.阴极光照灵敏度由4.1节中的定义可知，若入射到光电阴极面上的光通量为，阴极输出的光电流为，那么阴极的光照灵敏度为,光电倍增管阴极光照灵敏度的测量原理如图所示。,设光源的发光强度为，光电阴极面的面积为A，阴极面离光源的距离为L。光电倍增管接收到的光通量,可算出阴极光照灵敏度,3.阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度表示光电倍增管在接收分布温度为2856K的光辐射时阳极输出电流与入射光通量的比值，即,光电倍增管的阳极光照灵敏度通常采用图所示的系统测试。入射光通量范围通常为10-1010-6lm。入射的光通量太大会导致非线性，并使输出电流超过额定值；若太小，由于暗电流的作用使光电倍增管的输出光电流的
18、测量比较困难。,二、放大倍数（增益）前面已谈到，光电倍增管倍增极的二次电子发射系数与一次电子的加速电压Vd有关。当电压在几十几百伏范围时,如果光电倍增管有n级倍增极，那么光电阴极发射的光电流经过各级倍增极倍增后，从阳极输出的电流,同时，假定阳极电子收集率为1，如果各倍增极的和均相等，那么光电倍增管的放大倍数,假定倍增管均匀分压，级间电压Vd相等，那么放大倍数与光电倍增管所加电压V的关系为,从上式可知，光电倍增管的放大倍数和阳极输出电流随所加电压的kn次方指数变化。因此，在使用光电倍增管时，为了使输出电流稳定，所加电压应保持稳定。,一般情况下，n=912，因此得出电压的稳定度应比测量精度高一个数
19、量级的结论。例如测量精度为1%，所加电源电压的稳定度应为0.1%。,三、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。暗电流决定光电倍增管的极限灵敏度。1.暗电流的组成(1)热电子发射热电子发射是光电倍增管暗电流的主要部分，根据W.Richardson的研究表面，热发射电流is与温度T和逸出能Ew的关系：(4.14),由于光电阴极和第一倍增极发射的热电子经后面各倍增极放大后数值较大，因而在热发射电流中起主要作用。图4-19表示几种阴极材料的光电倍增管阳极暗电流的温度特性。Ag-O-Cs光电阴极的热电子发射电流较大，常温下比多碱光电阴极要大两个数量级。紫外光电阴极
20、（Cs-Te、Cs-I）的热电子发射是最小的。降低热发射电流的有效方法是降低光电倍增管的工作温度。从图可见，当将光电倍增管冷却到20时能有效地减少热发射电流。,(2)极间漏电流是指光电倍增管内支撑电极的绝缘体（如陶瓷片、玻璃件和芯柱等）在高电压下的欧姆漏电。此外，当管座和玻壳表面被沾污和受潮时也会引起漏电。(3)残余气体的离子发射(4)玻璃闪烁(5)场致发射从上述暗电流产生的原因可见，它与电源电压有密切关系，如图所示。在低电压时，暗电流由漏电流决定；电压较高时，主要是热电子发射；电压再大，则导致场效发射和残余气体离子发射，使暗电流急遽增加，甚至可能发生自持放电。实际使用中，为了得到比较高的信噪
21、比S/N，所加的电源电压必须适当，一般工作在图的b段。,2.减少暗电流方法(1)直流补偿暗电流的直流补偿方法如图4-21所示，,在光电倍增管输出阳极回路中加上与暗电流方向相反的直流成分，以补偿暗电流的影响。图中，补偿电流(4.15),一般。这种补偿方法比较简单，但不是根本的解决办法，它只能补偿暗电流中的直流部分。,(2)选频和锁相放大将入射光调制成一定频率的周期信号，而在光电倍增管的信号输出电路中加一选频放大器，以滤掉暗电流的直流分量。但由于选频放大器的中心频率不易做得很稳定，并有一定的通频带，因此抑制暗电流的交流成分有一定的限度。如果用锁相环放大代替选频放大，那么输出信号的信噪比会有很大的提
22、高(3)致冷通常光电倍增管的工作电压为6001300V，由图可知，热电子发射是暗电流的主要成分。冷却光电倍增管可降低从光电阴极和倍增极来的热电子，这对于弱信号探测或电子计数是十分重要的。,(4)电磁屏蔽法(5)磁场散焦法,四、噪声光电倍增管的噪声主要有光电组件本身的散粒噪声、闪烁噪声以及负载电阻的热噪声等。1.散粒噪声光电阴极发射的平均电流IKO由信号电流IKS和暗电流IKd组成，即(4.16),如前所述，IKS=SK，而IKd由热电子发射、漏电流、离子发射、玻璃闪烁和场效发射等因素造成的。由阴极电流产生的散粒噪声(4.17),于是，作为第一倍增极的一次电流将等于信号电流和噪声电流之和，即(4
23、.18),假定通过每一倍增极的倍增系均为，那么经过第一倍增极的放大，阴极发射的平均电流放大到 IKO，而噪声将由二部分组成，一部分是由 IKO产生的新噪声源，另一部分是原有噪声的放大，于是第一倍增极后电流中的噪声,依此类推可求出阳极电流为 IKO n，而阳极电流噪声为,2.闪烁噪声3.电阻热噪声这类噪声主要来自负载电阻或运算放大器的回馈电阻和运算放大器输入阻抗。于是热噪声电流,总噪声的平方等于散粒噪声、闪烁噪声及电阻热噪声的平方之和，假定略去第二种噪声，于是可得到倍增管输出信号的信噪比。,如果选用的倍增管放大系数很大，则实际计算结果显示，散粒噪声将明显大于热噪声，,由于IKo=SK，因此根据S
24、/N=1 可求出光电倍增管的噪声等效功率,也可以用阳极信号电流IpO、阳极暗电流Ipd和阳极响应度Sp来表示：(4.24),由上式可知，要得到小的NEP值，可以采用冷却或磁散焦技术减小暗电流，也可选用值高的光电倍增管以及减小通频带f来达到。亦可以利用D和D*的相应公式，求出光电倍增管的探测率。,五、I-V特性1.阴极I-V特性当入射光通量一定时，阴极光电流与阴极和第一倍增极之间电压（简称为阴极电压VK）的关系称为阴极I-V特性，图4-22为不同光通量下测得的阴极 I-V 特性。从图中可见，当阴极电压大于一定值（几十伏）后，阴极电流开始趋向饱和，与入射光通量 成线性变化。,2.阳极I-V特性当入
25、射光通量一定时，阳极电流与最后一级倍增极和阳极之间电压（简称阳极电压Vp）的关系称为阳极I-V特性，图为不同光通量下测得的阳极I-V特性。图中，当阳极电压大于一定值后阳极电流趋向饱和，与入射到阴极面上的光通量 成线性变化。通常把光电倍增管的输出特性看作恒流源来处理，这在实际使用中是很重要的。,六、线性线性不仅与光电倍增管的内部结构有关，很大程度上还取决于外部的高压供电电路和信号输出电路。造成非线性的原因分为两类内因空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率的变化外因由于信号电流造成负载电阻的负反馈和电压的再分配空间电荷主要发生在光电倍增管的阳极和最后几级倍增极之间。当阳极光电流大，尤其阳极电压
26、太低或最后几级倍增极的极间电压不足时，容易出现空间电荷。有时，当阴极和第一倍增极之间的距离过大或电场过弱，在端窗式的光电倍增管的第一级也容易出现空间电荷。为了防止空间电荷引起产生的非线性，应使这些极间电压保持较高，而管内的电流密度尽可能小一些。阴极电阻也会引起非线性，特别是大面积的端窗式光电倍增管的阴极只有一小部分被光照射时，非照射部分会像串联电阻那样其作用，在阴极引起电位差，于是降低了被照射区域和第一倍增极间的电压。,表4-2列出了各种结构的光电倍增管的最大阳极线性输出电流。,七、稳定性光电倍增管的稳定性主要是指阳极电流随工作时间的变化，它在闪烁计数和光度测量中是十分重要的。光电倍增管的不稳
27、定性主要表现在两方面：(1)在长期工作过程中，灵敏度的慢漂移如图所示，慢漂移主要是由于最后几级倍增极在大量电子轰击下受损，引起二次发射系数变化。这种漂移主要取决阳极电流的大小，而与所加的高压关系不太大，因此，在稳定性要求比较高的场合，阳极光电流应控制在1A以下。,(2)滞后效应在光电倍增管加上高压或开始光照的短时间（几秒或几十秒）内，阳极输出电流存在短暂的不稳定，如图所示。这种不稳定现象称为滞后效应，它在分光光度测量等方面比较重要。,先使光电倍增管在正常条件下工作5分钟，然后停止光照1分钟，再重新开启光照，测量光电倍增管在受照1分钟内输出电流的变化，则滞后系数。,八、时间响应某些脉冲信号测量中
28、，往往要求阳极输出信号波形与入射光脉冲波形完全一致。为了表示这种脉冲信号波形的重现性，通常用阳极输出脉冲的上升时间和电子的渡越时间等参数表示。1.上升时间光电倍增管的阳极输出脉冲上升时间定义为整个光电阴极在函数的光脉冲照射下，阳极电流从脉冲峰值的10%上升到90%所需的时间，该函数的光脉冲半宽度一般小于50ps，如图所示。,光电倍增管的上升时间的测试原理如图所示，用一重复的光脉冲照射光电阴极，阳极的输出信号作为示波器（通频带大于100MHz）的触发信号。,2.穿越时间一个函数的光脉冲（脉冲宽度小于1ns）到达光电阴极和阳极输出脉冲电流达到最大值的时间间隔定义为光电子的穿越时间ttr，如图所示。
29、,穿越时间的测试原理如图所示。适当选择延迟电缆的长度，可将标记脉冲和输出脉冲都显示在示波器的显示屏上。,3.渡越时间离散渡越时间离散表示函数光脉冲照到光电阴极的不同区域，发射的电子到达阳极的渡越时间的不一致性。图表示R268和R931A光电倍增管的时间响应随所加电压变化的典型特性曲线。,九、磁场特性图是直径为51mm的百叶窗式光电倍增管的典型特性曲线。从图中可见，即使在地球磁场作用下，管子旋转或换一个方向工作，输出信号都会产生明显的变化。,为了减少外部磁场对光电倍增管的工作的影响，一般在管子外面加一个磁屏蔽管。若有几个半径不同的屏蔽筒套在一起使用，那么组合的磁屏蔽度是各个屏蔽筒磁屏蔽度的乘积。
30、实际使用中还应注意，屏蔽筒（内径为2R）边缘的磁屏蔽作用明显减弱，如图所示，屏蔽管的长度至少要比光电倍增管的长度长2R。,十、空间均匀性图表示在某一端窗式光电倍增管的光电阴极上分别用波长为400nm和800nm，直径为1mm的光点在X和Y两个方向上扫描，测出的阳极输出电流与光点位置的函数关系，即光谱灵敏度与光电阴极位置的关系。,由于光电阴极和第一倍增极的几何形状的原因，一般侧窗式结构比端窗式结构的光电倍增管的空间均匀性更差一些，如图所示。,十一、偏振效应如果用恒定光照的线偏振光以某一角入射到光电阴极面上，当不断改变偏振面时，阳极输出电流也会发生相应的变化。侧窗式光电倍增管（如1P28、R456
31、等）通常是这种情况，这种结构中阴极面与管子的半径方向是不垂直的。图是用不同波长的线偏振光测量时得到的特性曲线,4.4光电倍增管的供电和信号输出电路,一、高压供电为了使光电倍增管能正常工作，通常需在阴极（K）和阳极（P）之间加上近千伏的高压。同时，还需在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间分配一定的极间电压，保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增极系统得到放大。最常用的分压器是采用一组电阻，跨接在阴极与阳极之间，如图a所示。,在阴极与第一倍增极之间，以及阳极与末级倍增极之间有时采用齐纳二极管代替电阻，以保证上述极间电压恒定,流过分压电路中的电流Ib与光电倍增管输出信号的线性密切相关。如图 b中，当流
32、过齐纳二极管（DZ1、DZ2、DZ3）的电流未达到额定工作状态时，齐纳二极管可能产生比较大的噪声，影响光电倍增管输出的信噪比。为此，在齐纳二极管旁并联电容C1、C2和 C3 来降低齐纳二极管产生的噪声。,1.供电电压的极性一般的分压电路中采用阳极接地，负高压供电，如图所示。,另外也可以用泡沫橡胶或其它类似的材料将光电倍增管与管罩隔开，当然这些材料应有良好的绝缘性能。如果在玻璃壳外涂上黑色的导电层（称HA膜），并将它与阴极连接，这样就可以解决阴极漏电流问题。但在闪烁计数器中，由于与光电倍增管紧密接触的闪烁体是接地的，这种方法不能使用。在这种情况下，必须采用阴极接地的方法，如图所示。,2.线性供电
33、方式无论是阳极接地还是阴极接地方式，当照到光电阴极上的光通量增加时，阳极输出电流Ip也相应增加，如图所示。当信号进一步增大并超过某一定值后，阳极输出电流与光通量之间就偏离了理想的线性关系，光电倍增管进入饱和工作方式。,(1)直流信号输出信号是直流的情况下，采用如图a所示的分压电路。,由于光电流的影响，使得各极间电压重新分配，阳极和后几级倍增极的极间电压下降，阴极和前面几级倍增极的极间电压上升，结果光电倍增管的电流放大倍数明显增加，如图中曲线B段出现的现象。当入射的光通量进一步增加时，阳极电流接近于分压器上的电流，阳极与最末级倍增极之间的电压趋向零，阳极的电子收集率逐渐减小，最后阳极输出电流饱和
34、，如图中曲线C段。,除了与光电倍增管的结构和分压电路形式有关，光电倍增管的阳极电流还受分压器上的电流限制。实际工作中，阳极电流应比分压器上的电流小20倍以上。在精密的光辐射测量中，为了保证测量信号的非线性小于1%，一般要求分压器上的电流是阳极最大光电流的100倍以上。要获得较大的阳极输出电流，可以降低分压器上的电阻值，或者在阳极与末级倍增极之间采用齐纳二极管。当然，如果前面几级也采用齐纳二极管，效果会更好。但是，减少电阻值可能会使电阻发热，引起光电倍增管温升而使暗电流增加，因此必须考虑电阻的功率散热问题。,(2)脉冲信号当光电倍增管在大的脉冲电流下工作，在分压器的后面几级电阻上并联频率特性比较
35、好的瓷片电容，这样在脉冲信号持续过程中，因电容的放电作用，使极间电压保持稳定，同时可以获得较高的峰值电流，如图所示。并联电容的数值，取决于输出脉冲信号的电荷量。如果要求线性优于1%，那么并联在最末级倍增极与阳极之间的电容取值可按下式计算,如果脉冲信号进一步增加，这些电容也就不能起有效的作用，由于阳极附近的空间电荷效应，阳极输出电流趋于饱和。在这种情况下，往往改变极间分压电阻值，使得从中间倍增极至最后的倍增极和阳极各极之间的电阻值逐渐增加，如图b所示。,3.高压电源光电倍增管对高压供电电源的稳定性要求比较高。一般高压电源电压的稳定性应比光电倍增管所要求的稳定性约高10倍。在精密的光辐射测量中，通
36、常要求电源电压的稳定性达到0.01%0.05%。目前，一种体积小巧的高压电源模块比较适合用于光电倍增管中，如图a所示。,输入直流电压一般为+15伏，输出端可获得上千伏的负高压，电压稳定度为0.02%0.05%。通过调节控制端两端的电阻或电压值，输出的电压可以从200伏至1200伏之间变化，如图b 所示。,表4-3是几种高压电源模块的特性参数。一般的电源模块内部都有保护电路，当电源过载或短路，模块的输入电流就趋于某一数值，而输出电压就降到零，能有效地保护十多分钟。,二、信号输出1.负载电阻输出光电倍增管输出的是电流信号，如图所示。用一只负载电阻将电流信号转换成电压信号，输出信号再连接到其它电压放
37、大器或电压表上。一般光电倍增管可以看作是恒流源。设负载电阻为RL，倍增管的输出电容（包括连线等杂散电容）为CS，那么光电倍增管的上限截止频率,从上面的分析可得出选择负载电阻的三点建议在频响要求比较高的场合，负载电阻应尽可能小一些。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产生的压降在几伏一下。负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多。,三、运算放大器输出从前面的负载电阻的分析中可看出，要保证光电倍增管具有良好的线性和频率响应特性，负载电阻要小，这又使得输出信号的转换效率很低。如果用运算放大器来代替负载电阻，实现电流电压的转换，就能解决上述问题。图所示，是运算放大器输出的基本电路，
38、输出的电压,式中，A为运算放大器的开环增益，一般高达105108。输出电路的最小可测量电流往往受到放大器的偏置电流、温度漂移、反馈电阻Rf的质量、电路板的绝缘性能等因素的制约。普通运算放大器往往有几十纳安的偏置电流，因此流过反馈电阻的电流由光电流IP和放大器的偏置电流IOS组成。于是，输出电压信号因此在微弱的光辐射信号测量中，一般在放大器的反向输入端加入一定的补偿电流。补偿电流与放大器的偏置电流的方向相反，互相抵消。,4.5微通道板光电倍增管,微通道板（MCP）是由成千上万根直径为1540m、长度为0.61.6mm的微通道组成。每个微通道是一根根很细的玻璃管，如图所示，它的内壁镀有高阻的二次发
39、射材料，在它的两端施加电压后内壁出现电位梯度，在真空中的一次电子轰击微信道的一端，发射出的二次电子因电场作用而轰击另一处，再发射二次电子，这样通过多次发射二次电子，可获得约104的增益。,带有两个串联的MCP光电倍增管的基本电路如图4-43所示，在这一近聚焦式的MCP倍增管中，光电阴极和第一微信道板的间距约0.3mm，级间电压150V，第二微通道板和阳极的间距为1.5mm，级间电压300V，外加偏压的变化只改变微信道板上的电压，从而调节总的增益。,表4-4列举了日本滨松公司生产的MCP光电倍增管的有关参数。,4.6光电倍增管的应用,光电倍增管典型产品的光电参数如表4-5所示。,精密测量中，正确
40、使用光电倍增管，应该注意阳极电流应不超过1uA，可以减缓疲劳和老化效应，减小负载电阻反馈和分压器电压再分配效应。电压分压器中流过的电流至少应大于预期的最大阳极电流1000倍，即1mA。但是不必过分加大，以避免发热。高压电源的稳定性必须为所需测量精度的10倍左右。对电压的纹波系数也应有所规定，一般应小于0.001%。阴极和第一倍增极之间，以及末级倍增极和阳极之间的极间电压应设计得与总电压无关。光电倍增管的输出信号采用运算放大器作电流电压变换，以获得高的信噪比和好的线性。应采取电磁屏蔽，最好使屏蔽筒与阴极处于相同相位。,光电倍增管应贮存在黑暗中，使用前最好先接通高压电源，在黑暗中存放几小时。测量很
41、弱的辐射时，光电倍增管的冷却温度一般取-20。最好在光电阴极前放置优质的漫射器，可减少因光电阴极区域灵敏度不同而引起的误差。光电倍增管不应在氦气中使用，因为它会渗透到玻壳内而引起噪声。为得到最稳定的相对光谱灵敏度函数，光电倍增管应让其自然老化数年。制造厂、参考书所提供的数据均是典型值，光电倍增管参数的离散性很大，要获得确切的数据，只能通过逐个测定。,一、光谱测量这些分析仪器中的光谱范围比较宽，如可见光分光光度计的波长范围为380800nm，紫外-可见光分光光度计的波长范围为185800nm，因此需采用宽光谱范围的光电倍增管。为了能更好地与分光单色仪的长方形狭缝匹配，通常使用侧窗式结构。在光谱辐
42、射功率测量中，还要求光电倍增管稳定性好，线性范围宽。现在以光谱辐射仪为例介绍光电倍增管在光谱测量系统中的应用。光谱辐射仪原理如图所示。,光栅单色仪光源（钨灯）发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦面上。光经过M1平行照射到光栅上，并经过光栅的衍射回到M1，经M1反射的光经过M2会聚到S2出射狭缝上，最后照到光电接受元件上。由于光栅的衍射作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。当光栅转动时，从出射狭缝里出来的光由短波到长波依次出现。这种光学系统称为李特洛式光学系统。,光谱辐射仪的光谱范围为200800nm，使用的光电倍增管为R298.光谱响应范围为185900nm，当高压为100
43、0V时，典型阳极灵敏度为2000A/lm，典型暗电流为2nA。光电检测系统的电路原理如图所示。,二、极微弱光信号的感测光子计数光子计数是测量微弱辐射最灵敏的一种方法，也是光电倍增管新的应用领域。与前述的光电流测量方法相比，它具有以下的优点：这一技术是通过分立光子产生的电脉冲来测定光量，因此系统的灵敏度高，抗噪声能力强。由于采用电脉冲计数技术，降低了对供电电源灯的要求，从而提高了系统的稳定性。可排除由于直流漏电和输出零漂等原因造成的测量误差。光子计数器的输出可以是数字量，也可以是模拟量，便于作进一步的信息处理。,1.工作原理光子计数器一般用于测量小于10-14W的连续弱辐射。最简单光子计数器的原
44、理示于图。,实际上，在光电倍增管的输出端除了光子所形成的电脉冲外，还存在着其它几种脉冲：如图所示的脉冲振幅与脉冲数的关系曲线。,2.应用图4-48是一种细胞分类装置示意图，先将荧光物质对细胞进行标记，然后根据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，也可以用来确定细胞的性质和结构。这种细胞发出的荧光是极其微弱的，它的强度弱到光子计数水平，因此要求探测器有足够高的量子效率和很低的噪声。,三、射线的感测1.闪烁计数闪烁计数是最常用也是最有效感测射线粒子的一种方法。它将闪烁晶体与光电倍增管结合在一起，当入射的射线粒子照到闪烁体上时，它产生光辐射并由倍增管接收转变为电信号，如图4-49a所示。图4-49b是用多道分析器得到的输出脉冲振幅分布图，也即能谱图。,2.应用射线探测在核医学、石油测井等方面的应用已为人们熟知。最近，在医学上PET（Position Emission Tomography）的系统已经被研制出来，这种正电子CT与一般CT的区别在于它可以对生物的动机能进行诊断。如图所示，注入患者的是放射性物质，放射出正电子，同周围的电子结合消灭，在180的两个方向发射出511keV的射线。这些射线由人体周围排列的光电倍增管PMT与闪烁体组合的传感器接收，可以确定患者体内消灭电子的位置，得到一个CT像。,
