光电子发射探测器

3.2光电子发射探测器

真空光电器件是基于外光电效应（光电子发射效应）制成的光电探测器。 Photoemissive：简称PE探测器

特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小、探测微弱信号

缺点：结构复杂，工作电压高，体积大

§3.2.1 光电阴极

在光电子发射探测器中，具有光电子发射效应的材料称为光电阴极。

完成光电转换的功能。

光电阴极材料的性能的好坏直接决定探测器的性能。

一、光电阴极的主要参数

1.灵敏度

光照灵敏度:

光谱灵敏度

２.量子效率

它表示一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴极所发射的光电子数N e(λ)与入射的光子数N p(λ)之比。也称量子产额Q(λ)。

3.光谱响应曲线

４.热电子发射：

引起噪声，限制探测灵敏度

二、银氧铯(Ag‐O‐Cs)光电阴极

三、单碱锑化物光电阴极

金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，能形成具有稳定光电发射的发射体。

最常用的是锑化铯，其阴极灵敏度最高，广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。

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。

五、紫外光电阴极

通常来说对可见光灵敏的光电阴极对紫外光也有较高的量子效率。有时，为了消除背景辐射的影响，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。这样的光电阴极有碲化铯(CsTe, 320nm)和碘化铯(CsI, 200nm)。

六、负电子亲和势光电阴极

电子亲和势是指半导体导带底部到真空能级间的能量值，表示了发生光电效应时，电子逸出的难易程度。

常规的光电阴极属于正电子亲和势(PEA)类型，即表面的真空能级位于导带之上。

如果给半导体的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经过特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极(NEA)。 对于P型Si的发射阈值是E d1=E A1+E g1,电子进入导带后需要克服亲和势E A1才能逸出表面。

Si‐CsO2光电阴极：在p型Si基上涂一层金属Cs，经过特殊处理而形成n型Cs2O。在交界区形成耗尽层，耗尽区的电位下降Ed,造成能带弯曲。

从Si的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服E A2就能逸出表面。对于P 型Si的光电子需克服的有效亲和势为 E Ae=E A2‐E d 。由于能级弯曲，使E d>E A2,这样就形成了负电子亲和势。

负电子亲和势阴极与正电子亲和势阴极的区别：

1.参与发射的电子是导带的热化电子，或称为“冷”电子；

２.NEA阴极中导带的电子逸入真空不需作功。

特点：

1.高吸收，低反射性质；

2.高量子效率，50%~60%, 长波到达9%;

3.光谱响应可以达到1m以上；

4.冷电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布

5.光谱响应平坦；

6.暗电流小；

7.在可见、红外区，能获得高响应度；

8.工艺复杂，售价昂贵。

§3.2.2 光电管与光电倍增管的工作原理

一、真空光电管

1、结构与工作原理

真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成 。

真空光电管构造示意图

光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。 优点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20～200μA/lm；暗电流小，最低可达10‐14A；光电发射弛豫过程极短。

缺点：真空光电管体积大、 工作电压高,达百伏到数百伏、 玻壳容易破碎等

二、光电倍增管

1、光电倍增管组成及工作原理

光电倍增管由五个主要部分组成：

光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极。

工作原理：

1.光子透过入射窗口入射在光电阴极上;

2.光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发 射到真空中;

3.光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上，倍增级将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次；

4.经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。

光电倍增管工作原理图

２.入射窗口和光电阴极结构

窗口材料

硼硅玻璃 这是一种常用的玻璃材料，可以透过从近红外至300nm的入射光，但不适合于紫外区的探测。无钾玻璃中只有极低含量的钾，其中的K40会造成暗计数。所以通常用于闪烁计数的光电倍增管不仅入射窗，而且玻璃侧管也使用无钾玻璃，就是为了降低暗计数

透紫玻璃（UV玻璃） 这种玻璃材料就象其名字所表达的那样，可以很好地透过紫外光，和硼硅玻璃一样被广泛使用。分光应用领域一般都要求用透紫玻璃，其截止波长可接近185nm。 合成石英 合成石英可以将透过的紫外光波长延伸至160nm，并且在紫外区比熔融石英玻璃有更低的吸收。合成石英材料的膨胀系数与芯柱用玻璃的膨胀系数有很大差别，所以，用热膨胀系数渐变的封接材料与合成石英逐渐过渡。因此，此类光电倍增管的强度易受外界震动的破坏，使用中要采取足够的保护措施。

氟化镁（镁氟化物）该材料具有极好的紫外线透过性，但同时也有易潮解的不利因素。尽管如此，氟化镁仍以其接近115nm的紫外透过能力而成为一种实用的光窗材料。

３.电子光学系统

电子光学系统是适当设计的电极结构。

作用：使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，即使下一级的收集率接近1；并使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。