《光电技术》PPT课件 (2)
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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 ；
供电电压高； 玻璃外壳，抗震性差； 价格昂贵，体积大；
（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：
– 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：
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。
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。
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：
II. 氧化物：MgO、BaO； III. 合金型：银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等； IV. 负电子亲合势材料；
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
式）、
如：圆瓦片式（鼠笼
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
• 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
• 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
N2 N1
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. 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；
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。
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。
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。
• 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
• 1) • 2)
• 3)
光电发射大致可分三个过程： 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。 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。 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. 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。
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 – 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?
Ec EA Eg
E
Ec EA
N
Eg
E
Ec
EA
ED
Eg
E
P
EA
(a)
本征半导体
(b)
N型半导体
(c)
P型半导体
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。
源自文库
光电逸出功 —— 指材料在绝对零度时光电子逸出表面所需的
束缚的强弱。
最低能量。描述材料表面对电子
3. 5.2 光电倍增管(PMT--- Photo-multiple tube)
• 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 ；
供电电压高； 玻璃外壳，抗震性差； 价格昂贵，体积大；
（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：
– 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：
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。
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。
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：
II. 氧化物：MgO、BaO； III. 合金型：银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等； IV. 负电子亲合势材料；
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
式）、
如：圆瓦片式（鼠笼
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
• 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
• 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
N2 N1
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. 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；
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。
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。
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。
• 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
• 1) • 2)
• 3)
光电发射大致可分三个过程： 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。 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。 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. 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。
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 – 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?
Ec EA Eg
E
Ec EA
N
Eg
E
Ec
EA
ED
Eg
E
P
EA
(a)
本征半导体
(b)
N型半导体
(c)
P型半导体
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。
源自文库
光电逸出功 —— 指材料在绝对零度时光电子逸出表面所需的
束缚的强弱。
最低能量。描述材料表面对电子
3. 5.2 光电倍增管(PMT--- Photo-multiple tube)