第05章_光电子发射探测器

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A
K
后面飞出 来的电子
——靠近A,空间的电子浓度很大,对于D10后来 没射出来的的电子有 排 斥作用。
第05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的结构原理 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
光电科学与工程学院
College Of Optoelectric Science and Engineering
Байду номын сангаас
2. 负电子亲和势阴极
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
m a x
1.24 μm Eg
第05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的结构原理 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
5.2.2 光电倍增管
4. 电子倍增极
(1)二次电子发射 (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
(3)倍增极结构 图5-7
光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成
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--也称为真空光电器件 光 电 管: 被半导体光电器件取代 极高灵敏度 快速响应 ~106 ~pS
光电倍增管:

用:
微弱光信号、快速脉冲弱光信号
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第05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
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5.1 光电阴极
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!!!
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5.2.2 光电倍增管 Photomultiplier, 简称PMT
结构:光窗 光电阴极 电子光学系统 电子倍增系统 阳极
5.2.2 光电倍增管
1. 光窗 作用: 1)光入射通道 2)短波阈值
5.1 光电阴极
常用的光电阴极材料
金属: 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。 半导体: 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。
半导体材料广泛用作光电阴极 常规光电阴极 负电子亲和势阴极
EA 0
5.2.2 光电倍增管
4.电子倍增极
1)二次电子发射 一次电子
二次电子

二次电子发射系数:

n 2 i2 n1 i1
5.2.2 光电倍增管
二次电子发射系数:
δ随Ep增大而 增大 增大Ep,δ值 反而下降
n 2 i2 n1 i1
Epmax约为100~1800eV
二次发射系数 与一次电子能量关系
(4)紫外光电阴极:
5.1 光电阴极
1、常规光电阴极
4.紫外光电阴极
“日盲”型光电阴极
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。 实用的两种: 响应范围(100—280nm) 碲化铯(CsTe)--长波限为0.32μm 碘化铯(Csl) --长波限为0.2 μm。
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5.2 光电管和光电倍增管的结构原理
5.2.1 光电管
这类管子体积较大,工作电压高达百伏到数百伏,玻璃外壳容 易破碎,它的一般应用目前已基本被半导体光电器件代替。
5.2.2 光电倍增管 Photomultiplier, 简称PMT
IA M 0 IK
n
例如:δ=4,n=10,M~106 --光电增益M>>1
M
n
5.3 光电倍增管的主要特性参数
电流增益的稳定性:
IA M 0 IK
n
C U
k
k d
U M 0 C n 1
5.2.2 光电倍增管
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。
5.2.2 光电倍增管
阳极因空间电荷效应而影响接收电子
光照
电子
D10
前面飞出 来的电子
5.3 光电倍增管的主要特性参数
6.时间特性
三者分别对信号的响应产生什么影响?
5.3 光电倍增管的主要特性参数
6.时间特性
器件时间特性 (单位:ns)
结 构 直线聚焦型 环形聚焦型 上升时间 0.7~3 3.4 渡越时间 1.3~5 31 渡越时间散差 0.37~1.1 3.6
盒栅型 百叶窗型
~7 ~7
PV探测器 紫外光 可见光 红外--极远红外光
PC探测器
5.3 光电倍增管的主要特性参数
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
5.3 光电倍增管的主要特性参数
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
表面:N型
入射光子
体内电子,能级Ec1 表面电子,能级Ec1 表面逸出电子 E0-Ec1< 0
体内有效电子亲和势:
EAe=E0-EC1<0
2. 负电子亲和势阴极
体内:P型
表面:N型
经典发射体的电子亲 和势仍是正的 ??? EA1=E0-EC1>0 EA2=E0-EC2>0 负电子亲和势是指体 内衬底材料的有效电 子亲和势???
57~70 60
~10 ~10
外电路时间特性 (单位:ns)
e RLC0 10k 4pF=40nS
5.3 光电倍增管的主要特性参数
6.时间特性
倍增管的响应时间 输出电路的时间常数
当电路时间常数较大,倍增管的上限截止频率:
f HC 1/ e 1/ 2πC0 RL
kn A U
n
dM dU kn M U
例如, n=9~12,测量精度1% 电源电压稳定度0.1%。
5.3 光电倍增管的主要特性参数
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。
3% 1010 ~ 104 m线性区
(1)弱光,例如光谱仪,开 狭缝
军事应用举例
5.1 光电阴极
太阳光中的紫外光
大气中的氧和臭氧层
中紫外(0.2~0.3μm) 完全吸收- “日盲”区
军事攻击目标 〔如飞机的尾焰)的 紫外辐射强
近紫外(0.3~0.4μm) 透过最多,均匀分布
“窗口”区 军事攻击目标挡住太阳紫 外光,形成 “暗点” 在 均匀的紫外光背景之上
“日盲”型光电阴极
真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势
E0 EA Ec
负电子亲和势
真空能级低于 导带底能级
Ev
发射光电子的能力 更强
5.1 光电阴极
2. 负电子亲和势阴极
Negative Electron Affinity ,简称NEA
1963年 Simon提出了负电子亲和势(NEA)理论 1965年J.J.sheer和J.V.laar 用铯激活砷化镓得到零电子亲和势光电阴极; 研制出GaAs-Cs负电子亲和势光电阴极
2. 负电子亲和势阴极
负电子亲和势材料结构、原理
以Si-Cs2O光电阴极为例 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。
2. 负电子亲和势阴极
P型Si的电子亲和势:
N型Cs2O电子亲和势:
EA1=E0-EC1>0
EA2=E0-EC2>0
2. 负电子亲和势阴极
体内:P型
各倍增极和阳极都加上适当电压;注明整管所 加的电压
3)积分灵敏度
与测试光源的色温有关,多用色温2856K的白 炽钨丝灯。
5.3 光电倍增管的主要特性参数
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)
I A S AΦ S A M I K S KΦ S K
I A I K 0 (11 )( 2 2 ) ( n n )
单位:
阴极灵敏度 --μA/lm或μA/W 阳极灵敏度 --A/lm 或 A/W
5.3 光电倍增管的主要特性参数
1)阴极灵敏度测试图
电子
D10
0V
A
K
D1
-100V~-300V 照射到光电阴极上的光通量约为10-5~10-2lm
5.3 光电倍增管的主要特性参数
1)阴极灵敏度测试 2)阳极灵敏度测试
碲化铯cste长波限为032m碘化铯csl长波限为02响应范围100280nm军事应用举例51光电阴极太阳光中的紫外光中紫外0203m完全吸收日盲区近紫外0304m透过最多均匀分布窗口区军事攻击目标如飞机的尾焰的紫外辐射强军事攻击目标挡住太阳紫外光形成暗点在均匀的紫外光背景之上近紫外光电阴极日盲型光电阴极5151光电阴极光电阴极负电子亲和势阴极negativeelectronaffinity简称nea51光电阴极电子亲和势e真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势电子亲和势越小材料发射光电子的能力越强
5.3 光电倍增管的主要特性参数 1.灵敏度 3.光电特性 5.伏安特性 7.暗电流 9.噪声 2.电流增益 4.光谱特性 6.时间特性 8.疲劳特性
5.3 光电倍增管的主要特性参数
1.灵敏度
光电倍增管的灵敏度
电参数 灵敏度= 光参数
S ( ) I Kλ S KK(?)=IK?/? ?/ Φ
反射式、透射式
(a)侧窗式;(b)端窗式
5.2.2 光电倍增管
2.
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
5.2.2 光电倍增管
3.电子光学系统
--通过电场加速和控制电子运动路线
作用:
1)收集率接近于1
2)渡越时间零散最小
5.2.2 光电倍增管
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
EAe=E0-EC1<0
2. 负电子亲和势阴极
现以Si—Cs2O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。
课后思考题:
如果以某种光电阴极为例加以说明,它是在N型 Si的基质材料上涂一层极薄的金属,经特殊处理 而形成P型。
试分析:这种光电阴极材料有何特点?
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~
5.2.2 光电倍增管
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。
EA 0
5.1 光电阴极
1、常规光电阴极
(1)Ag-O-Cs材料:
最早的光电阴极 表5-1 主要应用于近红外探测
(2)单碱锑化物:
CsSb阴极最为常用 表5-1 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
光子探测器
输出光电流 光电导探测器:M可以大于1
e I p M 0 hv
M-光电增益
光电三极管:
M~102
雪崩光电二极管:M~103 ????
M~106
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第05章
光电子发射探测器
Photoemissive detector,简称PE探测器
近紫外光电阴极
5.1 光电阴极
2. 负电子亲和势阴极
Negative Electron Affinity ,简称NEA 电子亲和势EA
真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势
电子亲和势越小,材 料发射光电子的能力 越强。 真空能级低于 导带底能级???
5.1 光电阴极
2. 负电子亲和势阴极
Negative Electron Affinity ,简称NEA 电子亲和势EA
5.3 光电倍增管的主要特性参数
9.噪声与噪声等效功率
阳极散粒噪声==阴极散粒噪声+各级散粒噪声 阴极散粒噪声对阳极的贡献:
(2)线性,用于模拟量测量时重要
5.3 光电倍增管的主要特性参数
4.光谱特性 (图5-9和5-10 )
远紫外 可见光 近红外
短波限
长波限
--窗口材料限制
--阴极材料限制
5.3 光电倍增管的主要特性参数
4.光谱特性 对比光谱响应范围:
紫外光 可见光 PE探测器 紫外光 可见光 红外--远红外光 近红外光
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