《光电探测技术》课件-第四章

射材料，涂于玻壳内壁， 生化分析仪等仪器设备中
受光照时，可向外发射光
电子。阳极是金属环或金
属网，加正的高电压，收
集从阴极发射出来的电子。
• 特点：灵敏度高 20～200μA/lm
A
RL
暗电流小 10-14A
μA
弛豫过程极短
K
工作电压较高
体积较大、容易破碎。
光电管电路
光电倍增管PMT
• 光电子通过二次电子发射体获得倍增的真空光电器件
应用举例 2
An excitation laser scans atmospheric air to detect biological agents. Organic particles will fluoresce and the fluorescence is detected by a PMT.
• 供电电路 从阴极开始至各级的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。 一般情况下，各级电压均相等，约80～100V，总电压约1000～1300V。
电阻链分压电阻的确定 电阻链的电流IR要比阳极最大的平均电流IAm大10倍以上。 并联电容 倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，探测脉冲光时，为不使阳极 脉动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。 电流增益M M = IA/IK =SA/SK M＝δn δ每极的倍增系数 n 倍增极级数
in2p 2qI p Mf 1 B
其中：0.5 < B < 1
热噪声
in2 4kTf R
• 噪声等效功率（NEP）
倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。
NEP 2q(I po I pd )f (1 B) 1 2 Sp
Ipo为阳极信号电流，Ipd为阳极暗电流
• 上升时间 • 渡越时间
屏蔽罩
hν
至放大器 A
K R1 R2 R3
RL Rn-1 Rn Rn+1
-HV
阳极接地方式
• 阴极接地 屏蔽方便、与放大器耦合难。
屏蔽罩
hν
至放大器 A
K R1 R2 R3
RL Rn-1 Rn Rn+1
阴极接地方式
HV
光电倍增管的组成
• 入射窗口 •光电阴极 •电子光学系统 •电子倍增系统和阳极。
二次电子发射特性
• 倍增系数σ 随一次 电子加速电压增加而 增加
CVdk
式中： k 0.7-0.8 Vd 一次电子加速电压
Ep为一次电子能量
光电倍增管的电流增益
• 阳极电流 若n级倍增极，第一倍增极的收集率为ε0，
其它倍增极收集率均为ε，倍增系数均为σ，
I p Ik0 n
• 电流增益 若分压器均匀分压
时间响应
Фe δ光脉冲
渡越时间
t
I 90%
10%
上升时间
光电倍增管的伏安特性曲线
• 阴极伏安特性曲线：阴极电流与阴极电压之间的关系 • 阳极伏安特性曲线 ：阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电
压的关系，在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来进行负 载电阻、输出电流、输出电压的计算。
PMT的微变等效电路
百叶窗式 PMT
• 透射光电阴极端窗式 PMT。 • 平行有倾角同电位叶片的倍增
极，其前有金属栅网。 • 用于探测微弱光辐射的大型光
电倍增管，均匀性好，稳定， 输出电流大。 • 渡越时间的离散性大，响应时 间较慢。
近贴栅网式 PMT
• 用近贴的栅网代替普通的倍增极。 • 均匀性和脉冲线性好，抗磁场能强。 • 多阳极极结构时，成为位置敏感型器件。
优良光电发射材料的条件
• 对光吸收系数大 体内有较多的电子受到激发
• 受激电子主要发生在表面附近 向表面运动过程中损失的能量少
• 材料的逸出功小 到达真空界面的电子能够比较容易地逸出
• 材料要有一定的电导率 能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子
半导体的光电发射
• 电子发射中心：价带顶 、杂质能级或导带底
光阴极的主要参数
• 灵敏度（Sensitivity) • 量子效率（Quantum efficiency） • 光谱响应曲线（Spectral response） • 热电子发射
光阴极的灵敏度
• 灵敏度（响应率）：光电流与入射光通量之比。 • 光照灵敏度：白光（2856K）照射下，光电流与入射
光通量的比μA/lm。 • 色光灵敏度：局部光谱区域积分灵敏度，用插入滤光
位置敏感型 PMT
52×52×28 mm3
光电倍增管的基本参数
• 灵敏度 • 量子效率 • 增益 • 光谱响应 • 暗电流
光电倍增管的灵敏度
灵敏度：光谱灵敏度与积分灵敏度（对于多色光或全色光）
灵敏度
公式
说明
阴极 灵敏度
阳极 灵敏度
阴极光谱 灵敏度
阴极积分 灵敏度
阳极光谱 灵敏度
阳极积分 灵敏度
• 端窗式 PMT，透射式光电阴极。 • 聚焦式结构，瓦片形倍增极交替
地安置在轴向，电场使电子会聚 到下一极的中心处，收集效率高， 电子渡越时间离散小。 • 特点是时间响应很快，线性好。
盒栅式 PMT
• 端窗式 PMT，透射式光电阴极。 • 1/4圆柱面形的盒栅式倍增极，
倍增极前有与其等电位的栅网 用以加强入射电子吸收，防止 二次电子逃逸，收集效率高。 • 均匀性和稳定性较好，但时间 响应稍差。
5)阴极接地的特点是，便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些， 屏蔽效果好；暗电流小，噪声低,但这时阳极要处于正高压。阳极接地的特点是 ，便于跟后面的放大器相接，但这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能跟阴极靠 得很近，至少要间隔1～2cm，因此屏蔽效果差一些，暗电流和噪声都比阳极接 地时大，而且整个倍增管装置的体积也要大些。
光阴极
孔板 第一倍增极
等电位筒
a 百叶窗式 b 盒栅式 c 近贴栅网式 d 直瓦片式 e 圆瓦片式 f MCP
鼠笼式侧窗 PMT
• 侧窗式 PMT，光电阴极一般 为长方形、反射式易与光谱 仪器的狭缝匹配。
• 瓦片形倍增极，聚焦型结构， 收集效率高，电子渡越时间 离散小。
• 结构紧凑，时间响应快
直线聚焦式 PMT
• 阳极极灵敏度与整管所加电压有关，各倍增极和 阳极都加上适当电压，应注明整管所加电压。
二次电子发射过程
• 材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到 高能态，这些被激电子称为内二次电子 ；
• 内二次电子中初速指向表面的那一部分向表 面运动，在运动过程中因散射而损失能量；
• 到达界面的内二次电子仍有足以克服表面势 垒的能量，即逸出表面成为二次电子。
2)使用时不宜用强光照。光照过强时，光电线性会变差而且容易使光电阴极疲 劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲劳不能恢复），缩短寿命。
3)工作电流不宜过大。工作电流大时会烧毁阴极面，或使倍增级二次电子发射 系数下降，增益降低，光电线性变差，缩短寿命。
4)用来测量交变光时，负载电阻不宜很大，因为负载电阻和管子的等效电容一 起构成电路的时间常数，若负载电阻较大，时间常数就变大，频带将变窄。
Q() 1.24 103 S()
式中：S(λ) 的单位为A/W
光谱响应曲线
S(λ) (mA/W)
100
SbKCs Cs3Sb
10 NaKSbCs
Ag-O-Cs 阴极光谱响应曲线
0.3 0.5 0.7 0.9 碱金属锑化物阴极光谱响应曲线
量子效率曲线
Electron Tube公司9360KB量子效率曲线
产生原因 热发射、极间漏电、残气电离、玻璃闪烁、场致发射
暗电流的温度特性
PMT的冷室
减小暗电流的办法
• 直流补偿 • 致冷、适当的工作电压 • 调制、选频和锁相放大
IP
nA
场
100
信
致
号
10
热
1 漏
PMT
0.1
0.01 500 1000 1500 V 电源电压
光电倍增管的噪声
• 噪声 散粒噪声 in2k 2qIKO f 2qI KS I Kd f
EAe EA2 Ed 0
NEA阴极的特点
• 量子效率高
• 波长阈值长
0
Hale Waihona Puke Baidu
1240 Eg
(nm)
GaAs负电子亲和势阴极
的Eg为1.4eV
• 热电子发射（暗电流）
较小 10-16A/cm2
照度计
真空光电管尘浊埃度计计
光密度计
• 组成：玻壳 、光电阴极和阳极。 • 原理：光电阴极即半导体光电发
热释光量仪 辐射量热计 扫描电镜
• E 表面电子亲和势(材料参量), E 体内电子亲
a
ae
和势(随掺杂、表面能带弯曲等因素变化）。
负电子亲和势
• 1963年Simon首先提出负电子亲和势理论。 • 1965年J. J. Scheer 和Van Lear研制出GaAs-Cs负电
子亲和势阴极。 • 利用 p-n 结耗尽区电位下降，造成表面能带向下弯
片后的光电流与入射光通量（滤光前）之比表示。 • 光谱灵敏度：波长
一定的单色光照时
的灵敏度。
S（I ）
I（s ） （e ）
量子效率
• 量子效率(产额) 光电子数与入射光光子数之比。
每秒产生的光电子数
Q() 每秒入射波长为λ的光子数
若入射功率 P (W), 输出光电流I (A), 波长 (nm)
Q() I / e I hc P / h P e
SK(λ)=IKλ/Φλ SK=IK/Φ
SA(λ)=IAλ/Φλ SA=IA/Φ
S：灵敏度 λ：波长 I：光电流 Φ：光通量 下标K：阴极 下标A：阳极
阴极灵敏度的测试
• 前几个倍增极加正常电压（100～300V正直流电压） • 光电阴极上的光通量为10-2～10-5lm
SK
IK
I0 L2
A
阳极极灵敏度的测试
高压供电
电压稳定度要求高（0.01～0.05％）常采用高压采样、 反馈控制、DC—DC变换的电路结构。
-HV
DC—DC 变换器
PMT
K R1 R2 R3
A
RL
Rn-1
Rn Rn+1
可控直 流稳压
高压模块框图
过流 保护
PMT专用高压电源
光电倍增管的使用注意事项
1)使用前应了解器件的特性。真空光电器件的共同特点是灵敏度高、惰性小、 供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。
M I p I k 0 ()n
M
0 C V
k n n 1
AV
kn
典型增益特性曲线
光谱响应曲线
光电倍增管的暗电流
暗电流 在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下 阳极的输出电流。它限制了可测直流光通量的最小值， 同时也是产生噪声的重要因素，是鉴别管子质量的重 要参量。应选取暗电流较小的管子。
真空光电器件
器件图片
各种PMT 光电管
直瓦片式 鼠笼式
PMT
PMT
盒栅式 PMT
百叶窗式 PMT
管 座 电 源 屏 蔽 罩
Electron Tube公司9360KB外形
应用举例 1
To inspect a cargo container, the container is moved across a gamma-ray beam and an image is obtained from the PMT array.
倍增管的最大光通量位于阳极伏安特性曲线拐点以右，基本 上是平直均匀分布的，一般使用倍增管也都是利用这一区域 的特性，因此在交流微变电路中可以把倍增管看成是电流源， 并考虑阳极电路的电容效应。
光电倍增管的交流微变等效电路 iA 阳极电流 C0 等效电容 R1直流负载
R2下一级放大器的输入电阻
光电倍增管的使用
入射窗口和光电阴极
• 入射窗 决定透紫性能
硼硅玻璃（无钾玻璃）、透紫玻璃、石英、蓝宝石、MaF2
透紫性能力
好
• 阴极结构 侧窗（反射式）、端窗（透射式）
电子光学系统和倍增系统
• 电子光学系统 作用：提高收集率ε；减小渡越时间离 散性。常用结构：等电位筒+孔板、球面阴极+聚焦极
• 倍增系统：每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成， 具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管 灵敏度最关键的部分。
曲，实现体内导带能量高于真空能级能量。 • P 型硅涂薄层Cs，再处理形成 n 型Cs2O，由扩散形
成耗尽区。
负电子亲和势(NEA)阴极
• p-Si发射阈值
Ed1 E A1 Eg1
• Si-Cs2O耗尽层电位下降 Ed，光电子由 Si 导带底 漂移到 Cs2O导带底，需 克服EA2逸出。
• Si-Cs2O的 p-Si需克服的 有效电子亲和势：
E0 EC
Ev 价带顶 发射中心
ED
N型
杂质能带 发射中心
P型
EA
导带顶 发射中心
Ea
电子亲和势
• 对应于金属的电子逸出功，也有半导体电子逸 出功，其定义为 T=0K 时真空能级与电子发射 中心的能级之差。
• 电子亲和势 导带底的电子向真空逸出时所需
的最低能量，数值上等于真空能级（真空中静
止电子能量）与导带底能级Ec之差。
倍 增 极 阳 极
光电倍增管的工作原理
hν
A
K
D1 D2
D3
RL
Dn-1
Dn
二次电子发射系数
N2
N1
N1 入射光电子（一次电子）,N2 出射电子（二次电子） Cs3Sb σ= 7，NEA倍增极（如Cs激活的GaP）σ可达100以上。
光电倍增管的供电方式
• 阳极接地 屏蔽较难、与放大器耦合方便。