第三章光电技术PMT

K
二、 光电倍增管的基本特性
1.
灵敏度
（1）阴极灵敏度 定义光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量 之比为阴极的光谱灵敏度，并记为
S k ,λ
Ik Φe, λ
若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，IK与 光谱辐射通量的积分之比，记为Sk
Sk Ik
0 e, λ d

（2）阳极灵敏度 定义光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射 通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为
影响暗电流的主要因素：
1. 欧姆漏电 2. 热发射 3. 残余气体放电
4. 场致发射
5. 玻璃壳放电和玻璃荧光
8.
疲劳与衰老
光电阴极材料和倍增极材料中一般都含有铯金 属。当电子束较强时，电子束的碰撞会使倍增极和 阴极板温度升高，铯金属蒸发，影响阴极和倍增极
的电子发射能力，使灵敏度下降。甚至使光电倍增
2.
为什么纯金属不适合用作光电阴极材料？ 金属材料是否满足上述4点？

——其反射率为90%，吸收光能少； ——体内自由电子多，由于碰撞引起的能量散射损 失大，逸出深度小； ——逸出功大（>3eV），难逸出金属表面，量子 效率低； —— 光 谱 响 应 在 紫 外 或 远 紫 外 区 （ 红 限 不 长 于 600nm），适于紫外灵敏的光电器件。
EcN
Ec
EA
Eg
E
本征半导体
Eg
E
(a ) (b)
N型半导体
ED
Eg
E
(c )
P型半导体
P
EA
电子亲和势（EA）—— 指导带底上的电子向真空逸出所需要 的能量。 光电逸出功 —— 指材料在绝对零度时光电子逸出表面所需的 最低能量。描述材料表面对电子束缚的强弱。
3. 5.2
④ 倍增极结构

根据电子的轨迹，倍增极可分为： 非聚焦型——只加速 如：盒栅式、百叶窗式 聚 焦 型——加速聚焦 如：圆瓦片式（鼠笼式）、 直线聚焦式
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
5、阳极
阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近
最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发 射出来的电子。 栅网状阳极 阳极结构示意图
U bb G n G U bb
由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkφ vRL，因此， 输出信号的稳定度与增益的稳定度有关
U bb U G n U G U bb
在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认 为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电 压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。
选择的阻值太大将使分压电阻功率损耗加大， 倍增管温度升高导致性能的降低，以至于温升太高 而无法工作。 选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R R=Ubb/IR 各分压电阻Ri 为 而R1应为 R1=1.5 Ri
R1较高,可使UD1较高,从而提 高第一倍增极的二次电子发 射系数。
U bb Ri NI R
4、电子倍增系统

倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各 倍增极都是由二次电子发射体构成。
①
二次电子发射效应 当有足够动能的电子轰击某种材料时,材料 表面发射新的电子的现象。称入射电子为 一次电子,从材料表面发射的电子为二次电 子。用该材料的二次发射系数表征材料发 射电子的能力：

N2 N1
光电倍增管(PMT--- Photo-multiple tube)
利用外光电效应和二次电子发射效应相结合，把微弱的
光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增的一种真空 光电探测器件，极大地提高了检测灵敏度。
放大倍数很高，用于探测微弱信号； 光电特性的线性关系好 ； 工作频率高 ； 性能稳定，使用方便 ；
外光电效应发生的条件： h
E
3. 光电效应中有红限存在，即光电发射的
长波限为：
（三）光电发射的基本过程
光电发射大致可分三个过程： 1) 光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量， 从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。 2) 受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程 中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失 去一部分能量。 3) 达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克 服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即 可从表面逸出，形成光电子。
3. 末极的并联电容
当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3 级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍 增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3 个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电 压稳定。 电容C1、C2与C3的计算公式为
100I amt C1 U DD
（二）光电效应三定律
1.光电发射第一定律——斯托列托夫定律：
当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时， 饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射辐 射通量（光强度）成正比：
I：饱和光电流；
：入射辐射通量；
k：光电发射灵敏度系数；
2. 光电发射第二定律
光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而 与入射光强度无关：
I a SaΦe, λ
6. 频率特性：高达1MHz以上
7.
暗电流
光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为
暗电流，记为ID。
光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是很
小的，一般为10-16~10-10A，是所有光电探测器件中
暗电流最低的器件。
暗电流限制了可测的直流光通量的最小值
电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10个倍增极提供电压UDD。
1、电阻链的设计
• 考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级 的电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流Ia最大。
• 因此，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相 等，但是，当流过分压电阻的电流IR远远大于Ia时， 即 IR ＞＞ Ia时，流过各分压电阻Ri的电流近似相等。 工程上常设计IR大于等于10倍的Ia电流。 IR≥10Ia
一次电子
要求：
① 接收性能良好， 尽可能多的收集电子， 工作在较大电流时， 不至于产生空间电荷 效应。
二次电子
② 输出电容要小
光电倍增管工作原理
光电倍增管（PMT）是利用外光电效应制成的一种
光电探测器件。其光电转换分为光电发射和电子倍 增两个过程。其工作原理如下图示。
D1
D3
A
D2
D4
供电电压高； 玻璃外壳，抗震性差； 价格昂贵，体积大；
一、光电倍增管的结构与原理
——光窗（Input window ) ——光电阴极(Photo cathode) ——电子光学系统 ——电子倍增系统(Dynodes) ——阳极(Anode)
1、光窗

4. 光谱特性
5. 伏安特性
当入射到光电倍增管阳极面上的光通量一定时，阳极 电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压(简称为阳极电压Ua) 的关系曲线称为阳极伏安特性，如图为3组不同强度的光 通量的伏安特性。 当阳极电压增大到一定程 度后，被增大的电子流已经能 够完全被阳极所收集，阳极电 流Ia与入射到阴极面上的光通 量φ成线性关系而与阳极电压 的变化无关。
3、电子光学系统
——是指光电阴极至第一倍增极之间的区域。
电子光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极
组成 电子光学系统的主要作用： （1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到 第一倍增极的有效区域内；而将其它部分的杂散热 电子散射掉，提高信噪比。 （2）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增 极所经历的时间尽可能一致，保证PMT的快速响应。
② 二次电子发射的过程：
a) 材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态 （二次电子）； b) 体内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面 运动； c) 到达界面的二次电子中能量大于表面势垒的电子发 射到真空中，成为二次电子。

要求：二次电子发射系数要大
③ 倍增极材料
I. II. III. IV. 主要是Ag-O-Cs、CsSb，灵敏的光电发射体一般 也是良好的二次电子发射体； 氧化物：MgO、BaO； 合金型：银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等； 负电子亲合势材料；
2、电源电压
极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数 δ，或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设 计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。
由
0.7n G (0.2)n U DD （锑化铯倍增极材料）
G (0.025) U
n
n DD
（银镁合金材料）
可以计算出UDD与Ubb， U bb NU DD
式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，t为脉冲 的持续时间，UDD为极间电压
C2
C1

C3
2
C1
4. 电源电压的稳定度
光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系 对锑化铯倍增极 G 对银镁合金倍增极
U DD 0.7n G U DD
U bb G 0.7 n G U bb
3.
半导体作阴极的优点 光吸收系数比金属大； 体内自由电子少，光电子在运动过程中的能量 损失小，故量子效率比金属大； 价带中的电子浓度大，电子逸出功小； 光发射波长延伸至可见光、近红外波段。 70年代后期——在半导体光电发射材料的基础 上，发展了负电子亲和势光电阴极，长波可至 1.6um。
管的灵敏度完全丧失。因此，必须限制入射的光通 量使光电倍增管的输出电流不得超过极限值IaM。为 防止意外情况发生，应对光电倍增管进行过电流保 护，阳极电流一旦超过设定值便自动关断供电电源。
三、 光电倍增管的供电电路
光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应 用的情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最 常用的电阻分压式供电电路。
光电发射的基本过程
（四）相关材料特性
1. 良好光电发射材料的标准
① 光吸收系数大,以便产生较多的受激电子； ② 光电子在体内传输过程中受到的能量损失小， 使其逸出深度大； ③ 表面势垒低，使表面逸出几率大； ④ 具有一定的电导率。因为电子出去以后，还要 从外部电源补充电子。
满足上述4点的材料就会得到较高的量子 效率，是好的光电发射材料。
3.5
光电发射效应及其PMT
3.5.1 光电发射效应------外光电效应 （一）光电发射原理 金属或半导体在光的照射下吸收 光子激发出自由电子，当吸收的 能量足以克服原子核对电子的束 缚时，电子就会脱离原子核逸出 物质的表面，这就是物质的光电 发射现象，也称为外光电效应。 它是真空光电器件光电阴极的物 理基础。
n
0.7n DD
G (0.025) U
n
n DD
光电倍增管在电源电压确 定后，电流放大倍数可以从定 义出发，通过测量阳极电流Ia与 阴极电流Ik确定。
I a Sa G I k Sk
3. 光电特性
在很宽的范围内是线性的，如图P121：图3.87。 实际工作时，要求阳极输出电流不得超过额 定值，一般在100A以下，因此PMT只适用于测量 非常微弱的光信号。
例1：当采用GDB-235型光电倍增管接收持续时间为 200ns的光脉冲，已知它的倍增级数为8级，阴极为 SbCs材料，倍增极也为SbCs材料，极间电压为100V， 阳极输出峰值电流为100 A，输出电压为5V。并要求 放大倍数的稳定度为1%。设计此PMT的供电电路，并 确定电源电压的稳定度至少为多少？ 解 采用电阻链均匀分压的供电电路,
入射光的通道； 光窗材料决定了PMT光谱特性的短波阈值; PMT光 谱特性的长波阈值由什么因素决定? 光窗通常有侧窗和端窗两种类型； 常用窗口材料有：硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石 英、蓝宝石和氟化镁等； 光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面,接收入射光,向 外发射光电子。
透射型
反射型
2、光电阴极
（1）结构——把光电发射体镀在金属或透明材料 （玻璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极。 （2）常用材料： Ag-O-Cs：近红外唯一具有使用价值的阴极材料； CsSb：可见、紫外区有较高的响应率; 多碱光电阴极（双、三、、四碱）； 负电子亲和势材料
S a ,λ
Ia Φe, λ
若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa
Sa
Ia
0 e, λ d

2.
电流增益（放大倍数）
电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性。理想 光电倍增管的增益G与电子发射系数δ 的关系为
G
对于锑化铯倍增极材料 对银镁合金材料
n
G (0.2) U