第四章 真空光电器件

d
d
L

15 i
A RL
0.15lx 0.10lx 0.05lx 0lx 0 100 200 U/V V
10 5
u
GD K V
真空光电管的偏置电路
真空光电管的负载曲线图
充气光电管: 没有饱和区，由图可知，阳极电压很低时，管内的 气体没有电离放大作用，阳极电流很小。 随着阳极电压的升高，管内气体开始电离，阳极电 流迅速增大。
A
K
充气光电管 工作原理
就充气光电管而言需注意的问题： 气体性质：有良好的化学性质 气体压力：零点几至几千兆范围内 放大倍数：用M表示，阳极输出的光电流IA与 阴极光电发射电流IK之比 即
分类
按光电阴极材料分 a、锑铯型 b、银氧铯型 c、锑钾钠铯型 按照光电阴极与阳极位臵不同及形状不同可 分为 a、中心阴极型 b、中心阳极型 c、半圆柱面阴极型 d、平行平板电极型
稳定性
光电管具有良好的短期稳定性 若连续使用光电管，其灵敏度有下降的趋势，特别 是在强光照射下更是如此 1、开始时灵敏度下降快，后来较慢，最后几乎保 持不变，趋于稳定。 2、若把使用过的管子在黑暗环境中放臵一段时间 后，其灵敏度可部分或全部得到恢复，这称为光电 管的疲乏；若不能恢复，称为光电管的衰老。 光电管的时间稳定性取决于光电阴极的疲乏与衰老 程度。即光电管的寿命同光电阴极的寿命一致。它 与光电阴极的种类，照射光的强弱，入射光的波长 有关。
A
K
半圆柱面阴极型
优点：极间电场均匀， 光电子的运动轨迹为直 线型，管子能承受较大 的工作电流，并能保持 良好的的光电线性，收 集率高，接受光通量大
K A
平行平板电极型
主要特性
光照特性 伏安特性 频率特性 稳定性 暗电流与噪声
光照特性
I
曲线1、2、3是对真 空光电管而言的 曲线4、5、6则是充 气光电管情况。 不论那一种情况，光 电流与光通量在一定 范围内呈直线关系， 通常将与直线部分相 对应的光照量范围称 为光电管的动态范围。
各种倍增极的结构形式
a) 百叶窗式 b) 盒栅式 c) 直瓦片式 d) 圆瓦片式
4、电子倍增系统
倍增极结构形式 聚 焦 型 特点
直瓦片式 圆瓦片式
极间电子渡越时间散差小，但绝缘支架可能 积累电荷而影响电子光学系统的稳定性。 结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。
工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成 探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有 的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越 时间零散较大。 收集率较高（可达95%），结构紧凑，但极 间电子渡越时间零散较大。
I 6 25 20 15 10 5 5
4
3 2 1
P(lm）
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
充气光电管4、5、6: 内阳极电流与光照之间没有严格的线性关 系，因为其阳极电流不仅取决于阴极发射的 光电子，还有气体电离的电子及离子。 只有在一定条件下，一定的光强范围内， 阳极电流与光照之间才有线性关系。
3、暗电流
（1）光电阴极和倍增极的热电子发射。此为 主要暗电流。实际使用时尽量降低光电阴极的 工作温度。 （2）极间漏电流 由于各级绝缘强度不够、极间灰尘放电。 措施：尽量保持各电极间的清洁、干燥。
（3）离子和光的反馈作用 受抽真空技术的限制，残余气体与运动 电子碰撞电离，电离的电子经放大形成电流。 当离子打到管壁上产生荧光反射到阴极造成 光反馈。 措施：采用管外导电层及金属屏蔽罩。 （4）场致发射 电极上的尖端、棱角、粗糙边缘在高压 下产生的电子发射。 措施：选择合适的极间电压。
按照接收光辐射的形式又有反射型和 透射型光电管之分。
工作原理
正离子 电子
A
A
K
K
真空光电管工作原理
充气光电管工作原理
工作原理
当入射光线透过光窗照射到光电 阴极K上时，光电子就从光电阴极 发射到真空中。 在电场的作用下，光电子在极间 做加速运动，最后这些电子被具有 极高电位的阳极所接受。 在阳极电路中可以测出光电流的数 值，光电流的大小主要取决于光照 强度与光电阴极的灵敏度。
K
端窗式
2、光电阴极
把光电发射体镀在金属后透明材料上即可制 成，起着在光照情况下发射光电子的作用 a 、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极 红外探测，暗电流大，稳定性差，易疲劳及 老化 b、单碱锑化物光电阴极 与a比较而言，暗电流小，疲劳及老化程度 小些
c、多碱锑化物光电阴极 耐高温，暗电流、疲劳及老化都小但 工艺复杂，成本高 d、负电子亲和势光电阴极(NEA) 低反射性，高量子效率，暗电流小， 但工艺复杂，成本高
A
K
真空光电管工 作原理
由于管壳内装有增益气体，光 电阴极发射出来的光电子在电场 作用下向阳极做加速运动，途中 和气体原子发生碰撞，形成电子 和正离子。 电离出来的电子在电场作用下 与光电子一起再次使气体原子电 离，如此反复，使得电子数目增 多，从而有效地增加了电流值， 同时正离子也在同一电场作用下， 向阴极运动，形成离子电流，其 数值与电子电流相当。这样，在 阳极电路内就形成了数倍于真空 光电管的光电流。
A u
GD K V RL
u V iRL
光电管的偏臵电路
真空光电管: 其伏安特性总会出现饱和区，当阳极电压为 50-100伏时，所有的光电子都到达阳极，电压再 增高，光电流不再增大，光电流开始出现饱和现 象。 光电管通常都是工作在饱和区内，也就是说， 偏臵电压要高于50-100伏。
I/μA 15 10 5 0.15lx 0.10lx 0.05lx
第四章 真空光电器件
4.1光电管
4.2光电倍增管
4.1 光电管
一、概述 二、工作原理 三、分类 四、主要特性 五、注意事项
概述
光电管是依据光电发射效应而工作的一种光电 探测器。其结构原理和偏臵电路如图所示，主 要由发射光电子的光阴极K、收集电子的阳极A 和管壳组成。
光
阳极 A
A u 阴极 K 光 反射型 透射型 GD K V RL
I/μA
0.31lm
10
0.21lm
0.011lm
5
0 U/V 0 100 200 300
不同光通量的伏安特性
频率特性
光电管的频率特性指光电流与入射光频率 之间的关系曲线，频率特性的好坏取决于载 流子渡越时间，极间电容，光子结构，工作 电压及负载电阻。 充气光电管的惰性比真空光电管的大,充气 光电管的频率特性不如真空光电管 原因：气体正离子的质量远大于电子，它 在极间的渡越时间比电子长的多.
暗电流与噪声
暗电流是不可避免的，尤其在室温低照度条件下， 尤其对真空光电管而言，限制了对弱光的正确测量。 因此在弱光检测中应尽量使它工作在温度低的状态。 光电管的暗电流主要是由极间漏电及阴极热发射 所引起的。 充气光电管比真空光电管的噪声大，由于热发射 电流也参与气体电离放大的作用，所以会形成较大 的热发射噪声；组成阳极电流的正离子的散粒噪声 也比较大的缘故。
优点：阳极收集率高 缺点：光电阴极面小，受 光面积有限，接受的光通 量小 适用于低照度下测量光电 子的初速度
K
A
光窗 透明的导电膜 K
不透明的金属层
中心阴极型
优点：受光面积大，电子在 极间的渡越时间一致，极间 电容小，频率特性好 缺点：阳极收集率低
A
中心阳极型
优点：有利于增加极间的 绝缘性，降低漏电 缺点：电子运动轨迹较乱
6 25 20 15 10 5 0 0.2 0.4
5 4 3 2
1
P(lm）
0.6 0.8 1
真空光电管1,2,3： 1、弱光照射下，可保 持光电线性关系，但会受 到暗电流及暗电流的涨落 所引起的噪声的限制； 2、强光照射下，往往 发生线性偏离，这主要是 因为阴极发射过程产生光 电疲乏，层内补充电子困 难，且电流大时层内会产 生较大的电压降，影响阳 极对饱和光电流的接受。
4、噪声
主要有散粒噪声和负载电阻的热噪声。 １、散粒噪声 2 2 inA 2eik fM 1 原因：光电阴极光电发射的随机性；倍增极 二次电子发射的随机性 措施：精心设计，正确使用可以消除 ２、负载电阻的热噪声（主要噪声） 4kTf 2 inT 总的噪声电流为： RL
i
2 nA
0lx 0 100 200
U/V
不同光通量的伏安特性
无光照时 当光照功率P=0时，电流i并不为零，称为暗电流。这 说明，光电管并不呈开路状态，而具有暗电阻Rd。 u 1 R 1 i tan g tan 所以光电管的暗电导g为: R 因为g值通常是很小的，所以Rd是很大的值． 通常说光电管是个高内阻元件。 V/R I/μA
3、电子光学系统
概念：光电阴 极至第一倍增 极之间的区域
收集率高 渡越时间一致
从阴极中心和边缘 所发射的光电子到 达第一倍增极时所 经历的时间差
K
1 2带孔膜片 3第一倍增 极
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
电子光学系统结构图
4、电子倍增系统
聚焦型：不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从 前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子 运动轨迹，可能有交叉。 非聚焦：在两电极间的电子运动轨迹是平行的。只对 前一倍增级有加速。
注意事项
光电管不使用时，应存放在黑盒内，使 用时要求均匀照射光阴极，不允许集中照 射光阴极一小部分。 环境温度要求保持在10—45º C之间。
4.2光电倍增管
光电倍增管
一、工作原理 二、结构组成 三、主要性能及参数 四、PMT的光电特性 五、选择PMT考虑的因素
φ
一、PMT的工作原理
D1 D3 A
D2 K
D4
PMT的工作原理图
φ
Ｋ D1 D2 D3 Dn