光电倍增管

（3）InSb（锑化铟） 在77k下,噪声性能大大改善 峰值响应波长为5μm 响应时间短（大约50×10-9s） （4）HgxCd1-xTe（碲镉汞）探测器
化合物本征型光电导探测器,它是由HgTe和GdTe两种材料混 在一起的固溶体,其禁带宽度随组分x呈线性变化（x是镉含量的组 分）。
当x=0.2时响应波长为8～14μm,工作温度77k，用液氮致冷。
光敏电阻的允许功耗,随着环境温度的升高而降低。
5.噪声特性
几种典型的光敏电阻
（1）CdS（硫化镉）和CdSe（硒化镉） 低造价、可见光辐射探测器 光电导增益比较高(103～104) 响应时间比较长(大约50ms) （2）PbS（硫化铅） 近红外辐射探测器 波长响应范围在1～3.4μm，峰值响应波长为2μm 内阻（暗阻）大约为1MΩ 响应时间约200μs
偏置电压V必须满足
V


Pmax Rg
1 2
RL Rg
3.时间响应特性
光敏电阻的响应时间常数是由电流上升时间 tr 和衰减时间 t f 表 示的。光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负载电阻 及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。
4.稳定特性
电磁屏蔽法
将光电倍增管装在高导磁率的金属圆筒中，能有效地防止 周围电磁场的干扰。
磁场散焦法
当测量过程中用窄光束照射较大的光电阴极时，合理地采 用磁场可把那些未被照射的光电阴极边缘暗电流的电子散射掉； 也可以用可控偏转线圈，采用星象跟踪方法改变磁场，把有效 阴极面积任意移动到阴极的光照位置，利用散焦方法减少暗电 流，达到改善信噪比的目的。
滞后效应
在光电倍增管加上高压或开始光照的短时间内，（几秒或 几十秒）阳极输出电流存在暂时的不稳定，电流可能比稳定值 大一些，也可能小一些。这种不稳定现象称为滞后效应。滞后 效应主要由于电子偏离设计的轨迹以及倍增极的陶瓷支架和玻 壳等静电作用引起的。当入射的光照变化，而所加的电压也跟 随着变化时滞后效应特别明显。
本征型光敏电阻 —— 一般在室温下工作 适用于可见光和近红外辐射探测
非本征型光敏电阻—— 通常在低温条件下工作 常用于中、远红外辐射探测
光电导增益
光电导增益M是表征光敏电阻特性的一个重要参数，它表示长
度为L的光外部光电流与光电子形成的内部电流（qN）之间
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。
当阳极光电流大，尤其阳极电压太低或最后几极倍增极的极间 电压不足时，容易出现空间电荷。为防止空间电荷引起的非线性， 应使这些极间电压保持较高，而让管内的电流密度尽可能小一些。
光电面是半导体，具有一定的电阻，也会引起非线性，特别是 当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 照射部分会象串联电阻那样起作用，在阴极表面引起电位差，于是 降低了被照射区域和第一倍增极间的电压，所以这一负反馈引起的 非线性是被照射面积的大小和位置的函数。
光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率,在弱光 照和强光照时都较大,而中等光照时,则较小。
例：CdS光敏电阻的温度系数在10lx照度时约为0；照度高于10lx 时，温度系数为正；小于10lx时，温度系数反而为负；照度偏离 10lx愈多，温度系数也愈大。
另外，当环境温度在0～+60℃的范围内时，光敏电 阻的响应速度几乎不变；而在低温环境下，光敏电阻的响 应速度变慢。例如，-30℃时的响应时间约为+20℃时的 两倍。
当射线进入闪烁体，闪烁体立即发出闪光。这种发光量与射 线的能量有一定的比例关系。光电倍增管探测到单个的闪光，并 形成包括了能量与脉冲数信息的脉冲输出，如图30所示。通过多 道脉冲高度分析仪（MCA）分析这些信息，可以得到脉冲高度分 布（PHD）或能谱，从而准确地得出不同能量的辐射粒子数。
内光电效应
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成分。 但是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，因此抑制暗电流的成分有一定的限度。如果用锁相放 大代替选频放大，那么输出信号的信噪比就会有很大的提高。
致冷
通常光电倍增管的工作电压为600～1300V，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 增极来的热发射电子，这对于弱信号探测或光子技术是十分重 要的。
使用注意事项
（1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏 特性匹配;
光电倍增管的应用
极微弱光信号的探测－单光子计数
光子计数法对于使用光电倍增管探测极微弱光是个有效的方法， 并在天文光度测量、化学发光和生物发光等领域有较多应用。对于 一般的应用，大量光子进入光电倍增管并在阳极输出大量的如图25 （a）的脉冲序列。阳极输出是一个如图25（b）的带有波动的直流 信号。
RL
arctan 1
Rg
arctan 1
Rd
负载电阻 工作亮电阻 暗电阻
光敏电阻偏置电压
在一定光照下，有一固定电流i流过光敏电阻，这个电流将在工 作电阻上产生热损耗功率
iu i2Rg
光敏电阻工作时不能超过额定的最大耗散功率，因此光敏电阻 工作在任何光照下都必须满足
i2Rg Pmax
这里的C为一常数，Vd为极间电压(加速电压) ，k为一由倍增极材料 及其几何结构决定的系数，其数值一般介于0.7和0.8之间。
总的电流增益为
C n VdKn
光电倍增管的输出信号特别地容易受到所加电压的波动的影响， 所以供电电压一定要有很好的稳定性、较小的纹波、漂移和温度系 数。
阳极暗电流
5） 场致发射
当光电倍增管工作电压接近极限工作电压时，强大的电场使 电极发出场致发射电子，从而造成暗脉冲输出。因此，建议光电 倍增管工作在比极限工作电压低20%～30%的电压以下。
减少暗电流的方法
直流补偿
在光电倍增管的阳极输出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。
选频和锁相放大
光电转换分为以向真空中发射光电子 为代表的外光电效应，和使被激励的光电 子进入导带的内光电效应两大类。光导电 和光敏型为内光电效应的代表。
光电导探测器－光敏电阻
光电导探测器是利用光电导效应原理而工作的。光电导效 应是半导体材料的体效应，无需形成pn结，故又常称为无结 光电探测器。
光电导探测器在光照下改变自身的电阻率（光照愈强,器 件自身的电阻愈小），因此常常又称为—光敏电阻（光导管）。
光电倍增管的玻壳上涂覆导电层并联接至阴极的称作“HA涂层”的服务。
4） 漏电电流
漏电电流源于光电倍增管的芯柱和管基、管座等，是暗电流的 一部分。尤其是当光电倍增管工作在较低电压和较低温度时其所占 暗电流成分愈大。光电倍增管的表面污染和水分附着造成漏电电流 增大，因此要尽量避免。在测定微弱电流时，要清洁、干燥芯柱、 管基、管座等。
光敏响应特性光照特性曲线ikup???线性伏安特性1rarctan1rarctan1rarctanlgd?????????负载电阻工作亮电阻暗电阻光敏电阻偏臵电压在一定光照下有一固定电流i流过光敏电阻这个电流将在工作电阻上产生热损耗功率2giuir?光敏电阻工作时不能超过额定的最大耗散功率因此光敏电阻工作在任何光照下都必须满足2maxgirp?12???偏臵电压v必须满足??maxglgprvrr???????光敏电阻的响应时间常数是由电流上升时间示的
ULD（Upper Level Discrimination Level）高脉冲高度一边的基准电压 LLD（Lower Level Discrimination Level）低脉冲高度一边的基准电压
光 电 倍 增 管 输 出 的 典 型 的 脉 冲 高 度 分 布 （ PHD － Pulse Height Distribution）。在PHD中，低脉冲高度基准（LLD）在波谷的位置，而高 脉冲高度基准（ULD）是在输出脉冲较少的底部。绝大部分低于LLD的脉 冲是噪声，同时绝大部分高于ULD的脉冲来源于宇宙射线等外界因素。这 样，通过对介于LLD和ULD之间的脉冲的计数，可以正确地探测光的强度。 在PHD中，Hm是脉冲的高度，通常LLD为Hm的1/3，ULD为Hm的3倍。 大多数情况下，ULD可以忽略掉。
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。 光电倍增管的不稳定性主要表现在两个方面：
长时间工作过程中，灵敏度的慢漂移。
慢漂移主要是由于最后几极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1μA以下。
光电倍增管
电流放大（增益）
电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的
比值,也可以按一定工作电压下阳极响应度和阴极响应度的比值来确
定。
ia Sa
iK SK
在理想情况下，具有n个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射 率为δ的光电倍增管的电流增益为δn。二次电子发射率δ由下式给
出： δ=C·Vdk
考虑上述内容，PHD中清晰的波峰和波谷是用于光子计数的光电倍 增管的一项重要特性。
闪烁计数
闪烁计数是最常用也是最有效探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射到 闪烁体上时，它产生光辐射并由倍增管接收转变为电信号。它具 有探测效率高和灵敏的特点。
射线探测中有两个参数需要测试，一个是单个粒子的能量， 另一个是粒子数。射线探测就是要测试这两个数字，即射线的能 谱和强度。
光电倍增管内的残留气体与电子碰撞会产生电离。当 这些离子撞击光阴极或前几极倍增极时也会发射出二次电 子，导致较大的阳极脉冲噪声输出。这些噪声脉冲常常在 主信号脉冲后作为后脉冲被观察到，从而可能在测试光脉 冲时产生问题。现在的光电倍增管在结构设计时，已经采 取措施最小化后脉冲。
3） 玻璃发光
当电子脱离预定轨道飞出，打击到玻璃壳时会产生辉光并导致 暗脉冲输出。为了减小此类暗脉冲，可以将光电倍增管的阴极与地 等电位，使用正电压，但是使用不方便。为此，滨松公司提供了一种在
当入射光强逐渐降低，以至于入射的光子分散得类似 图26时，这种状态称作单光子（或光电子）情况。输出的 脉冲数与入射光成正比例，并且对这些脉冲计数的方法在 信噪比和稳定性等方面，优于采用平均脉冲的电流测定方 法。这个对脉冲计数的光量测量技术叫做光子计数法。
由于光电倍增管在输出由入射光子产生的单个脉冲的同时，也 会输出一系列的噪声脉冲。简单地统计这些脉冲而不采取有效的手 段排除噪声脉冲，将得不到正确的结果。排除噪声最有效的方法就 是采用区分每个脉冲的大小、高度的方法。
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。阳极暗电流是决定光电倍增 管对微弱光信号的检出能力的重要因素，它决定了光电倍 增管的极限灵敏度。阳极暗电流受电压的影响非常大。
阳极暗电流的主要来源有以下几种： 1） 电子热发射
光阴极和倍增极材料具有较低的逸出功，所以在室温 下会发射出大量的热电子。大部分的暗电流源于这种热 电子发射，特别是那些来自光阴极的热电子，因为它们 要经过倍增极的放大。将光电倍增管冷却是降低热电子 发射的有效手段，这一点对诸如光子计数等要求光电倍 增管具有极低暗计数特性的应用显得及其重要。 2） 残留气体电离（离子反馈）
tdr

M tdr
增益系数可以看成是一个自由载流子的寿命与该载流子在光敏 电阻两极间渡越时间之比，因此只要载流子的平均寿命大于有效渡 越时间，增益就大于1。
光敏电阻的结构和偏置电路
工作特性
1.光敏响应特性
2.光照特性
i Ku P
光照特性曲线
伏安特性
线性伏安特性
arctan 1
伏安特性
阴极伏安特性
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 电压的关系称为阴极伏安特性。
阳极伏安特性
当入射光通量一定时，阳极电流与最后一级倍增极和阳极之间 电压的关系称为阳极伏安特性。
线性
光电倍增管的线性是光电测量系统中的一个重要指标。它既与 光电倍增关的内部结构有关，在很大程度上也取决于外部的高压供 电电路及信号输出电路。造成非线性的原因可分为两类：
的比值。
M＝ I p qN

V L2
n n p p

V L2
n n

V L2
p p

Mn

Mp
电子增益系数 空穴增益系数
本征型光敏电阻的增益系数为
M＝M n
Mp


tn


tp

1 tn

1 tp

令
1 11
tdr tn t p
1 为载流子渡越极间距离L所需要的有效渡越时间，于是