光电技术实验讲义-光电探测部分

光电技术实验讲义
--光电探测部分
目
录
实验 a 光电倍增管的静态和时间特性的测试 ………………………… （2） 实验 b 光电探测器响应时间的测试 …………………………………… （ 9）
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验 a 光电倍增管的静态和时间特性的测试
光电倍增管是一种基于外光电效应 (光电发射效应)的器件， 由于其内部具有电子倍增系 统，所以具有很高的电流增益，从而能够检测到极微弱的光辐射。 光电倍增管的另一大 优点是响应速度很快，因此其时间特性的描述和测量都与其它光电器件有所不同。 此外， 光电倍增管的光电线性好，动态范围大，因而被广泛应用于各种精密测量仪器和装备中。 由于光电发射需要一定的光子能量，所以大多数光电倍增管工作在紫外和可见光波段，目 前在近红外波段也有应用。由于使用面广，现已有多种结构、多种特性的管子可供选择。 一、实验目的 （ 1）熟悉光电倍增管的静态特性和时间特性，掌握光电倍增管的正确使用方法。 （ 2）学习光电倍增管的基本特性测量方法。 二、实验内容 （ 1）测量光电倍增管静态特性参数； （ 2）测量光电倍增管时间特性参数。 三、基本原理 1.光电倍增营的主要特性和参数 光电倍增管的特性参数，有灵敏度、电流增益、 光电特性、阳极特性、暗电流等效噪声功率和时间特性等。下面介绍本实验涉及到的特性 和参数。 （ 1）灵敏度 灵敏度是标志光电倍增管将光辐射信号转换成电信号能力的一个参数， 一般指积分灵敏度，即白光灵敏度，单位取μA/lm 。通常，光电倍增管的使用说明书中都 分别给出了它的阴极灵敏度和阳极灵敏度，有时还需要标出阴极的蓝光、红光或红外灵敏 度。 ①阴极灵敏度 S k 阴极灵敏度 S k 是指光电阴极本身的积分灵敏度。测量时光电阴极 为 一极，其它各电极连在一起为另一极 ,在其间加上 100～ 300V 电压，如图 1－ 1 所示。照在 阴极上的光通量通常选在 10-9 ～10-2 lm 的数量级， 因为光通量过小会由于漏电流的影响而使 光电流的测量准确度下降，而光通量过大也会引起测量误差。 ②阳极灵敏度 SA 阳极灵敏度 S A 是指光电倍增管在一定工作电压下阳极输出电流与照 在阴极面上光通量的比值。它是一个经过倍增以后的整管参数，在测量时为保证光电倍增 管处于正常的线性工作状态，光通量要取得比测阴极灵敏度时小，一般在 10 -10～ 10-5 lm 的 数量 级。
图 1-6 光电倍增管输出等效电路
四、实验装置
光电倍增管静态特性参数测试装置 静态特性参数测试装置如图 1—7 所示。 这是一 个光屏蔽的暗箱，分光源室和测试室两部分。
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图 1—7 光电倍增管特性参数测试装置 白炽灯放置在光源室中，位于透镜的焦点上。白炽灯灯光经过透镜后成为平行光射入 测试室中，在平行光路里放置了若干抽插式的中性衰减片。最后照射到光电倍增管的阴极 面上。光电倍增管的输出电流可有检流计测出，也可由数字电压表测量负载的电压得到。 本实验选用 GDB-24 型光电倍增管，它的管脚和名称见附录。
五、实验步骤
1. 测阴极伏安特性 （1）将光电倍增管插入阳极特性测试所用的分压器中，其特性是以阴极作阴极，以第 — 倍增极做阳极，其余倍增极和阳极与第一倍增极连接一起。 (2)把光电倍增管放入测试室中，并连接好电源线及输出线。抽出衰减片，检查光屏蔽。 （3）在与阳极测量时同样的光强下，接通直流稳压电源，测量阴极电流与电压的关系。 如果采用标准光源或直接测出光通量则可同时输出灵敏度。 2.测阳极伏安特性 （1）点亮白炽灯，并记下此时的光源电压； （2） 打开光电倍增管电源，测出倍增管阳极电流和倍增管电压的关系； （3）断开光电倍增管电源，并关端白炽灯。
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非线性偏离
K
D1 D2
D3 D4
光电倍增管的分压电路
① .级间电压分配 光电倍增管的极间电压可按前级区、中间级、和末级区加以考虑。 前 级区的收集电压必须足够高，以使第一倍增级有高的收集效率和大的次级发射系数。中间 级区的各级间通常具有均匀分布的级间电压，以使管子给出最佳的增益。由于末级区各级 特别是末级支取较大的电流，所以末级区各级间电压不能过低，以免形成空间电荷效应而 使 管子失去应有的直线性。 ②分压电流 当阳极电流增大到与分压器相比拟时，将会导致末级区各级间电压的大幅 度下降，从而使光电倍增管出现严重的非线性。为防止级间电压的再分配以保证增益稳定， 分压器电流至少为最大阳极平均电流的 20 倍。对于直线性要求很高的应用场合，分压器电 流应至少为最大阳极平均电流的 100～500 倍。 ③分压电阻 确定了分压器电流 就可以根据光电倍增管的最大阳极电压算出分压器 的总电阻再按照适当的级间电压分配，由总电阻求出各分压电阻的阻值。 (3) 输出电路 光电倍增管的输出是电荷， 且其阳极几乎可作为一个理想的电流发生器 来考虑。因此输出电流与负载阻抗无关。但实际上，对负载的输入阻抗却存在着一个上限， 因为负载电阻上的电压降明显地降低了末级倍增极与阳极之间的电压，因而会降低放大倍 数，致使光电特性偏离线性。 ①直流输出电路 对于直流信号，光电倍增管的阳极能产生达数十伏的输出电压，因 此可使用大的负载电阻。检流计或电子微电流计可直接接至阳极，此时就不再需要串接负 载电阻。 ②脉冲输出电路 光电倍增管输出电压的相应等效电路是电流源与负载电阻的 RL 和输 出电容 CL 并联的电路，如图 1—6 所示。 阳极电路对地的电容 CL 起着 RL 的旁路作用，从而使输出波形畸变，对于宽度很窄的 脉冲，时间常数τ=RC 应远小于光脉冲的宽度。 i(t) RL CL Vo(t)
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式 的光脉冲时，阳极输出的电脉冲是展宽的。在闪烁计数应用中，如果入射射线之间的时间 间隔极短，则因这种展宽将使输出脉冲发生重叠而不能被分辨。因此对输出脉冲波形的时 间特性要用以下几个参数表示（见图 1－ 4） ： ①脉冲上升时间 t r 定义为用δ函数光脉冲照射整个光电阴极时，从阳极输出脉冲幅度 的 0.1 上升至脉冲幅度的 0.9 所需要的时间（ns） 。 ②脉冲响应宽度 t n 即脉冲半宽度，指阳极输出脉冲半幅度点之间的时间间隔。 ③渡越时间分散 Δt 因为它是造成阳极输出脉冲展宽的主要原因， 所以有时就用它来 代表时间分辨率。Δt 定义为当用重复的δ函数光脉冲照射到管子的阴极时，在阳极回路中 所产生的诸输出脉冲上某一指定点（如半幅点）出现时间的变动，测量时通过时间幅度转 换器把时间变动量转换成具有一定幅度的时间谱，取其半宽度来表示时间分辨率，单位 为 ns。 进行光电倍增管的时间参数测试时，需要利用δ函数脉冲光源。 δ函数脉冲光源指的是能够提供具有有限积分光通量和无限小宽度的光脉冲光源光， 在进行光电倍增管的时间参数测试时，只要光源的上升时间和下降时间和半宽度 FWHM 均 不超过管子输出脉冲的相应时间参数的三分之一，则该光源即可称为 δ函数脉冲光源。目 前可作为δ函数脉冲光源的有发光二极管、激光二极管、汞湿式火花光源、切仑可夫光源 和钇铝石榴石锁模激光器等。
表 1-1 序号 1 2 3 4 5 6
极限工作条件（GDB-24） 单位 V μA Im nm ℃ % 400 -30 最小值 最大值 1000 100 1150 60 90
工作条件内容 阳极电压 直流输出电流 阴极受照光通量 光谱响应范围 环境温度 环境相对湿度
表 1-2
主要参数
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阴极参数 光照灵敏度/（μA· 1m ）
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10-7
IA
暗电流/A
3 2
Ф1> Ф2> Ф3 Ф1 Ф2 Ф 3
10-8
10-9
1
10-10 0
20
40
60
80
100 120
140
VH 图 1-2 典型阳极特性曲线 图 1-3
极间电压/V
931-A 型光电倍增管的暗电流分量 与极间电流的关系
1— 经过放大后的热发射电流； 2— 漏电流；3—暗电流的总和； 4—不稳定状态的区域
在开启高压电源时请注意：
在开启开关前，首先要检查各输出旋钮是否已调到最小。打开电源开关，一定要预热 1 分钟后再输出高压。关机程序和开机相反。
六、实验报告
（ 1）作出暗电流与阳极电压之间的关系曲线 （ 2）作出某一光强下阳极电流与阳极电压之间的关系曲线。 （ 3）作出与第（3）项同样光照下，阴极电流和外加电压的关系曲线。
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式中 IA 为阳极信号电流；IK 为阴极信号电流。放大倍数 G 主要取决于系统的倍增能力，因 比它也是工作电压的函数。上述的阳极灵敏度就包含了放大倍数的贡献，于是放大倍数也 可 由在一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定，即 G＝SA ／SK
（1－2）
（3）阳极伏安特性 当光通量Φ一定时，光电倍增管阳极电流 IA 和阳极与阴极间的总 电 VH 之间的关系为阳极伏安特性，如图 1－2 所示。因为光电倍增管的增益 G 与二次倍增 极电压 E 之间的关系为 G＝（bE ）n 其中 n 为倍增极数 b 为与倍增极材料有关的常数。所以阳极电流 IA 随总电压增加而急剧上 升，使用管子时应注意阳极电压的选择。另外由阳极伏安特性可求增益 G 的数值。 （4）暗电流 当充电倍增管完全与光照隔绝，在加上工作电压后阳极仍有电流输出， 其输出电流的直流成份称为该管的暗电流，光电倍增管的最小可测光通量就取决于这个暗 电流的大小。 引起暗电流的主要因素有；欧姆漏电、热电子发射、反馈效应（离子反馈和光反馈） 、 场致发射、放射性同位素的核辐射及宇宙射线的切仑可夫辐射。 图 1－3 示出了 931－ A 型光电倍增管的暗电流各分量与极问电压的关系。在 50V ／级 以下的低电压下，暗电流实际上全部为电极问的欧姆漏电流。当电压升到 100－110V ／级， 即在光电倍增管的正常工作范围内暗电流的主要成份是光电阴极和前级倍增极的热发射电 流。电压继续升高时就出现了离子反馈、光反馈甚至场致发射等造成不稳定状态，这也就 是使用电压的极限值。
由于光电倍增管的暗电流是工作电压的函数，所以在给出某管的暗电流时，必须说明 是在达到某一给定的阳极灵敏度所需的多大工作电压下测得的。 （5）时间特性 光电倍增管的渡越时间定义为光电子从光电阴极发射经过倍增极上阳 极的时间。由于电子在倍增过程的统计性质以及电子的初速效应和轨道效应，从阴极同时 发 出的电子到达阳极的时间是不同的，即存在渡越时间分散。因此，当输入信号为δ函数形