光电成像技术 第五章直视型电真空成像物理课件.ppt
第五章 直视型电真空成像物理,5.1 像管成像的物理过程 5.2 像管结构类型与性能参数 5.3 辐射图像的光电转换 5.4 电子图像的成像理论 5.5 电子图像的发光显示 5.6 光学图像的传像与电子图像的倍增,5.1 像管成像的物理过程,像管通过三个环节完成图像的电磁波谱转换和亮度增强，即：将接收的微弱的可见光图像或不可见的辐射图像转换成电子图像；使电子图像聚焦成像并获得能量增强或数量倍增；将获得增强后的电子图像转换成可见的光学图像。上述三个环节分别由光阴极、电子光学系统和微通道板(MCP)以及荧光屏完成。这三部分共同封置在一个高真空的管壳内。,下一页,返回,5.1 像管成像的物理过程,5.1.1 辐射图像的光电转换5.1.2 电子图像的能量增强 5.1.3 电子图像的发光显示,上一页,返回,5.1 像管成像的物理过程,5.1.1 辐射图像的光电转换 外光电效应的特点包括两方面的内容：斯托列托夫定律：当入射光的频率或频谱成分不变时，光电发射体单位时间内发射出的光电子数或饱和光电流IG与入射光的强度成正比；爱因斯坦定律：光电发射出来的光电子的最大初动能与入射光的频率成正比，与入射光的强度无关。该定律表明：当入射频率低于0时，不论光强如何都不会产生光电发射。,下一页,返回5.1,5.1 像管成像的物理过程,5.1.1 辐射图像的光电转换 像管的输入端面是采用光电发射材料制成的光敏面。该光敏面接收辐射量子产生光电子发射，所发射的电子流密度分布正比于入射的辐射通量分布，由此完成将辐射图像转换为光电子图像的过程。由于光电子发射需要在发射表面有法向电场，所以光敏面应接于低电位。这一光敏面通常称为光阴极。光阴极可分为透射型和反射型两种。,下一页,上一页,5.1 像管成像的物理过程,由光电发射的斯托列托夫定律可知，饱和光电发射的光电子流密度与入射辐射通量密度成正比。因此，由入射辐射分布构成的图像可以通过光阴极变换成由光电子流分布构成的图像，这一图像称为光电子图像。,下一页,上一页,5.1 像管成像的物理过程,5.1.2 电子图像的能量增强 像管中的光电子图像通过特定的静电场或电磁复合场获得能量增强。光阴极的光电发射产生的光电子图像在刚离开光阴极面时是低速运动的光电子流，其初速由爱因斯坦定律决定。这一低能量的光电子图像在静电场或电磁复合场的力作用下得到加速并聚焦到荧光屏上。到达像面时的高速运动的光电子流能量很大，由此完成了电子图像的能量增强。像管中特定设置的静电场或电磁复合场统称之为电子光学系统。由于它具有聚焦光电子成像的作用，故又被称为电子透镜。,下一页,返回5.1,5.1 像管成像的物理过程,像管中常用的电子光学系统有：纵向均匀静电场的投射成像系统；轴对称的静电聚焦成像系统；准球对称的静电聚焦成像系统；旋转对称的电磁场复合聚焦成像系统等。,下一页,上一页,5.1 像管成像的物理过程,5.1.3 电子图像的发光显示 为把光电子图像转换成可见的光学图像，通常需要使用荧光屏。像管中常用的荧光屏材料有多种，基本材料是金属的硫化物、氧化物或硅酸盐晶体等。实验证明，荧光屏由高速电子激发发光的亮度除与发光材料的性质有关外，主要取决于入射电子流的密度和加速电压值。当像管中光电子图像的加速电压一定时，荧光屏的发光亮度正比于入射光电子流的密度。由此可知，像管的荧光屏可以将光电子图像转换成可见的光学图像。,下一页,返回5.1,5.2 像管结构类型与性能参数,根据像管的工作波段可分为：工作于微弱可见光的像增强器；工作于非可见辐射（近红外、紫外、X射线、射线）的变像管。像管可根据工作方式分为：连续工作像管、选通工作像管、变倍工作像管等；可根据结构分为：近贴式像管、倒像式像管、静电聚焦式像管、电磁复合聚焦式像管等；可根据使用的技术分为：级联式的一代像管、带MCP微通道板）的二代像管、采用负电子亲和势光阴极和MCP的三代像管等。,下一页,返回,5.2 像管结构类型与性能参数,5.2.1 像增强器5.2.2 红外变像管、紫外变像管、X射线变像管和射线变像管 5.2.3 像管性能参数及其要求,上一页,5.2.1 像增强器,1.近贴式像增强器 光阴极在输入窗的内表面，荧光屏在输出窗的内表面，光阴极和荧光屏相互平行。在光阴极与荧光屏之间施加高压时，两电极间形成纵向均匀静电场，光阴极发射出的电子受到电场的作用飞向荧光屏，由于间距很近（约1mm），所以称电极为近贴聚焦的电子光学系统。,下一页,返回5.2,5.2.1 像增强器,1.近贴式像增强器 近贴式像增强器是结构最简单的像增强器，在荧光屏上成正像，且无畸变。但是由于受分辨力的限制，极间距离不能太大，又因为受场致发射的限制，极间电压不能太高，因此系统的亮度增益受到限制，像质也受到影响。,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,2.静电聚焦倒像式像增强器 静电聚焦倒像式像增强器中由光阴极和阳极共同构成静电聚焦系统。常用的电极结构有：平面光阴极双圆筒系统和球面光阴极双球面（同心球）系统两种，它们都能形成轴对称的静电场。静电场形成的电子透镜可使光阴极面上的物像发射出来的电子图像加速并聚焦于荧光屏上，形成一倒像。,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,2.静电聚焦倒像式像增强器 在通常采用的双球面电极的系统中，阳极头部曲面和光阴极球面以及荧光屏球面构成近似同心球面。由此构成近似的球形对称静电场，使轴外各点的电子主轨迹都是近似对称轴，从而使轴外像差。,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,2.静电聚焦倒像式像增强器,1、5光学纤维面板；2光阴极；3-阳极；4荧光屏,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,3.电磁复合聚焦式像增强器 在平面光阴极和荧光屏之间设置有环形电极，其上加有逐步升高的电压，沿管轴建立起上升的电位；同时，管壳外设置有通以恒定电流的螺旋线圈，产生的均匀磁场，由此形成纵向的均匀电磁场。该电磁场使光阴极发射的光电子加速并聚焦到荧光屏上成像。只要严格地控制电压和磁场，就可以得到良好的像平面，在荧光屏上获得较高分辨力的图像。但是由于复合聚焦系统结构复杂、笨重，给使用带来不方便。因此通常只在需要高性能像质的场合，如天文观察时才使用这种聚焦方式。,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,3.电磁复合聚焦式像增强器,1阳极；2绝缘环；3磁体；4磁极片；5输入窗；6光阴极；7加速环；8荧光屏；9输出窗；10绝缘材料,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,4.选通式像增强器 选通式像增强器是静电聚焦式像增强器。它是在普通两电极像增强器的结构上增加控制栅极构成的。控制栅极由靠近光阴极的栅网和阳极孔栏组成。当栅极电位低于光阴极电位时，形成反向电场使光阴极的光电发射截止；当在栅极上施加正电位的工作脉冲时，构成聚焦成像的电场，由此实现了选通式工作状态。,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,4.选通式像增强器,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,4.选通式像增强器 选通的工作方式有两种：一是单脉冲触发式工作；二是连续脉冲触发式工作。前者用于在高速摄影中作为电子快门，后者用于主动红外选通成像与测距。选通式像增强器中另有种类型，它增加了一对偏转电极。这对偏转电极设置在阳极锥体内，其上施加线性斜坡状脉冲电压使输出图像偏转，将连续选通的几幅图像在荧光屏上分开。这种像增强器称为条纹管。,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,5.变倍式像增强器 能够改变图像倍率的像增强器称为变倍式像增强器。它具有可变放大率的电子光学系统。由于变倍的同时必然使焦距发生变化，因此在普通像增强器内除了加变倍电极外，同时还需要加聚焦电极来补偿像面的变动，所以，变倍式像增强器通常为四电极结构,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,5.变倍式像增强器,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,6.带有MCP的像增强器（二代像增强器）二代像增强器与一代像增强器的根本区别在于：它不是采用多级级联实现光电子图像倍增，而是采用在单级像增强器中设置MCP来实现光电子图像倍增。MCP是两维空间的电子倍增器，它是由大量平行堆集的微细单通道电子倍增器组成的薄板，二代像增强器有两种管型结构，一种是双近贴式像增强器，另一种是倒像式像增强器。,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,6.带有MCP的像增强器（二代像增强器）,二代双近贴式像增强器结构示意图,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,6.带有MCP的像增强器（二代像增强器）,二代静电聚焦倒像式像增强器结构示意图1光阴极；2微通道板；3荧光屏,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,7.负电子亲和势光阴极像增强器（三代像增强器）,下一页,上一页,5.2.1 像增强器,7.负电子亲和势光阴极像增强器（三代像增强器）三代像增强器具有高增益、低噪声的优点。而且负电子亲和势是热化电子发射，光电子的初动能较低，能量又比较集中，所以，三代像增强器又具有较高的图像分辨力。这些特点使三代像增强器成为目前性能最优越的直视型光电成像器件。,下一页,上一页,5.2.2 红外变像管、紫外变像管、X射线变像管和射线变像管,红外变像管、紫外变像管、X射线和射线变像管用于分别将不可见的红外图像、紫外图像、X射线图像和射线图像转换为可见的光学图像，其中红外变像管和紫外变像管在结构上与普通的像增强器基本相同，只是光阴极的材料和光谱响应有所不同。X射线和射线变像管则比普通像管多了一个射线转换荧光屏（又称输入荧光屏）。,下一页,返回5.2,5.2.2 红外变像管、紫外变像管、X射线变像管和射线变像管,射线转换屏位于变像管的输入窗内，在它与外壳之间设置有薄铝层以遮挡杂光。转换屏与光阴极之间靠很薄的玻璃耦合，以减小荧光图像的扩散。这一转换屏可将入射的X射线图像或射线图像转换为荧光的弱光图像，该弱光图像入射到光阴极上产生光电子图像，其后续过程与普通像管相同。,下一页,上一页,近贴式X射线变像管工作原理示意图,下一页,上一页,缩小型X射线变像管结构示意图,1X射线转换屏；2光阴极；3聚焦极；4阳极；5输出荧光屏,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,直视式光电成像器件既能探测到微弱的或人眼不可见的目标辐射信号，又能将目标满意地进行成像，使人眼能看到再现的目标图像。因此，像管既是一个辐射探测器、放大器，同时又是成像器。作为辐射探测器，它应具有高的量子效率和信号放大能力，作为成像器，它必须具有小的图像几何失真，这些性能通常用畸变、放大率、分辨力及调制传递函数来描述。,下一页,返回5.2,5.2.3 像管性能参数及其要求,主要特性参数:1.光谱响应特性2.增益特性3.背景特性 4.成像特性,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,1.光谱响应特性 光谱响应特性是指像管的响应能力与入射波长的对应关系。像管的光谱响应特性实际上是其光阴极的光谱响应特性，它决定了像管工作的光谱范围。像管的光谱响应特性通常用光谱响应率、量子效率、光谱特性曲线等来描述，像管的光谱响应之和称为积分响应率（或光电灵敏度）。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,1.光谱响应特性 光谱响应率是像管对单色入射辐射的响应能力；响应率是像管对全色入射辐射的响应能力。它们分别以R和R表示。根据响应率的定义入射辐射功率所产生的输出光电流，则,下一页,上一页,1 光谱响应特性,考虑到 则,(5-3),(5-4),(5-5),(5-8),下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,1.光谱响应特性 式中，称为光谱匹配系数。它反映了在像管响应的波长范围内，光源与光阴极，荧光屏与光阴极及荧光屏与人眼光谱光视效率之间在光谱上的吻合程度。如果匹配良好，就能获得高的整管响应度。因此，光谱匹配系数是选择像管各级材料的重要依据。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性 合适的亮度是观察图像的必要条件。像管输出的图像亮度既与入射图像的照度有关，又取决于像管本身对辐射能量的变换与增强的能力。“增益”就是用来描述像管这种能力的参数。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性（1）增益定义 像管的增益有：亮度增益、辐射亮度增益及光通量增益之分。其中亮度增益是最基本而通用的。（2）亮度增益的定义 像管的亮度增益定义为：像管在标准光源照射下，荧光屏上的光出射度M与入射到阴极面上的照度EV之比。即(倍),下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性 由于荧光屏具有朗伯发光体的特性，发光的亮度分布符合余弦分布律，因此荧光屏上的光出射度M与亮度L之间的关系可表示为 因此,(5-10),(5-11),下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性（3）亮度增益的表达式 下面根据定义建立亮度增益的表达式，即亮度增益与像管各参数之间的关系。设入射到像管光阴极面上的照度为E，光阴极光灵敏度为R，那么光阴极有效面积Ac上产生的光电流为,(5-14),下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性（3）亮度增益的表达式 若以表示电子光学系统透射比，U为像管的加速电压，则射到荧光屏上的功率为 由荧光屏发光效率（单位为lm/w）的定义/P可知，荧光屏发出的光通量为,(5-15),(5-16),下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性（3）亮度增益的表达式 荧光屏的光出射度 这样，根据定义便可得到单级像管的亮度增益表达式为,(5-17),(5-18),下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性（3）亮度增益的表达式 如果不考虑级间耦合的损失，则第一级荧光屏发出的光出射度M1就是第二级光阴极的入射照度E2，即,(5-19),下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性（3）亮度增益的表达式 那么在第二级管荧光屏上输出的光出射度应为,(5-20),(5-21),下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性（3）亮度增益的表达式 故二级级联像管的亮度增益为,(5-22),下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性（3）亮度增益的表达式 同理可推得三级级联像管的亮度增益。R1为第一级光阴极对入射光的积分响应率；R2为第二级光阴极对第一级荧光屏的积分响应率；R3为第三级光阴极对第二级荧光屏的积分响应率。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性（4）对亮度增益表达式的讨论 在像管亮度增益的表达式中，清楚地表明了像管各参数对亮度增益的影响。m对GL的影响则较大，当m减小时，GL以平方关系增大，然而这是以缩小图像为代价的。同时m不能太小，因为荧光屏的发光效率与荧光粉的颗粒度之间有一定关系，要保证屏的发光效率，荧光粉的颗粒度就不能太小，这样就使缩小的图像很难由颗粒度较大的屏分辨出来，导致分辨力下降。所以现有的像管绝大多数的m值取在0.51之间。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,2.增益特性（4）对亮度增益表达式的讨论 实际上像管的亮度增益要小于理论值。像管实际增益的大小，可通过实验测试得到。具体测试是根据亮度增益的定义进行的。常用像管亮度增益的典型值：红外变像管为3050；单级像增强器为50100；三级级联像管为5104105；二代像管为104。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,3.背景特性 合适的亮度是人眼观察图像的必要条件，除了有用的成像（信号）亮度以外，还存在一种非成像的附加亮度，称之为背景（或背景亮度）。像管的背景包括无光照射情况下的暗背景和因入射信号的影响而产生的附加背景，称为信号感生背景（或光致背景）。暗背景产生的主要原因是光阴极的热电子发射和颗粒引起的场致发射。产生信号感生背景的主要原因是阴极透射光、管内散射光、离子反馈、光反馈所致。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,3.背景特性 为了反映背景对像管图像对比的影响，引入两个参数：等效背景照度和对比恶化系数。（1）等效背景照度 为了与来自目标的照度相比较，通常用等效背景照度来表示暗背景。使荧光屏亮度等于暗背景亮度值时的光阴极面上的输入照度值称为等效背景照度。等效背景照度的典型值，对变像管而言为10-3lx数量级，对像增强器而言则为10-7lx数量级。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,3.背景特性（2）对比恶化系数 由于背景的存在使图像模糊不清，背景使像质下降的程度可用对比恶化的多少来描述。即,（5-27）,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,4.成像特性 像管光阴极面接收来自物空间的图像辐射，这一辐射在阴极面上的强度分布构成输入图像，通过像管的转换与增强在荧光屏上产生相应的亮度分布，构成输出图像。成像特性通常用放大率、畸变、分辨力和调制传递函数来描述。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,4.成像特性（1）放大率 像管的放大率m指的是像管输出端输出的图像线性尺寸l与其对应的输入端图像的线性尺寸l之比，因此，放大率是表征像管对图像几何尺寸放大或缩小能力的一个性能参数。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,4.成像特性（2）畸变 由于像管常采用静电聚焦电子光学系统，它的边缘放大率比近轴放大率大，所以在输出端图像产生枕形畸变。由于物高不同，放大率不同，导致图像形状发生畸形变化，故称为畸变，并以D表示畸变的程度。通常取光阴极有效直径的80%处的放大率来表征畸变大小。它的典型数据是：变像管为10；三级级联像管为25%35。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,4.成像特性（3）分辨力 成像器件刚刚能分辨清两个相邻极近目标的像的能力称为该成像器件的分辨力。为评定像管的成像质量，最简单常用的方法是测定其分辨力。像管的分辨力是指高对比度的标准测试板图案聚焦在像管的光阴极面上，通过目视方法观察荧光屏上每毫米尺度包含的能够分辨开的黑白相间等宽矩形条纹的对数。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,4.成像特性 所谓分辨的线对数是指能分辨出每个测试单元四个方向（或两个方向）的条纹。对于像管来说，中心的成像性能好于边缘。一般用中心分辨力来表示，但有时也测定半视场分辨力和边缘分辨力。用分辨力来表示像管的成像质量，其方法简单方便、意义明确，同时给出一个定量的数值，便于比较。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,4.成像特性 但这种方法也存在一些问题，主要有：虽然测定的两个像管的极限分辨力一样，但成像质量却可能存在很大差异。不能揭示串光的影响。有些像管从可以分辨到不可分辨，转变比较明显。有些像管则模模糊糊，甚至可以跨越几个组，似乎都可以分辨，但又都难以分辨。它以目测为手段。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,4.成像特性（4）调制传递函数 调制传递函数是一种可以全面描述成像系统对构成图像的各种细节（较高空间频率）的衰减能力的数学关系。调制传递函数建立在傅里叶级数和傅里叶变换的基础上，将整个成像过程描述为物图像与成像系统的响应函数（扩散函数）的卷积过程。通过数学上的分析，可以描述各种细节在像方组成图像时调制度的变化和影响。,下一页,上一页,5.2.3 像管性能参数及其要求,4.成像特性 常用的光电子成像器件MTF经验公式为,下一页,上一页,下一页,上一页,5.3 辐射图像的光电转换,5.3.1 光电子发射的基本理论5.3.2 典型实用光阴极5.3.3 光电发射的极限电流密度 5.3.4 光阴极面发射电子过渡过程的分析,下一页,返回,5.3.1 光电子发射的基本理论,光电发射现象是赫兹于1887年在做电磁振荡的研究中首先发现的，并由此开拓了外光电转换技术。经过100多年的大量研究工作，光电发射的理论得到了不断的发展，目前公认的光电发射理论模型是一个三步过程模型（三阶段理论）。,下一页,返回5.3,5.3.1 光电子发射的基本理论,整个光电发射的物理过程分为三步：光电发射体内的电子被入射光子激发到高能态；受激电子向表面运动，在运动的过程中因碰撞而损失部分能量；到达表面的受激电子克服表面电子亲和势而逸出。上述三步过程完地描述了光电发射的物理现象。从这一物理模型可以看出：光电发射过程的第一步是入射的光子与体内的电子相互作用的结果。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,光电发射是大量电子分立地受激、散射和逸出的结果。光电发射所产生的光电子统计特性吻合双随机泊松点过程。1.电子受激跃迁的半经典分析2受激电子向表面迁移过程的分析3.电子逸出表面过程的分析,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,1.电子受激跃迁的半经典分析 从光电发射的物理模型出发分析第一步过程，定量讨论光电子受激跃迁的统计规律。在建立光电子受激跃迁的统计方程时，采用半经典的处理方法。首先说明入射的光辐射与光电发射体内电子的表达方式。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,1.电子受激跃迁的半经典分析 用半经典方式描述光电子受激过程表现为电磁场与电子的相互作用过程，这一作用过程中，电磁场是通过它在原子位置上的电位移矢量D（r，t）来表示。D（r，t）是一个矢量的实函数。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,1.电子受激跃迁的半经典分析 光电发射体内电子状态的表述方式。用量子力学的方法确定电子的状态是通过哈密顿函数来描述的。其中未受激电子的哈密顿函数H0，具有一组与能级En相对应的本征态n。这里假定在能级Eb上有一个约束态b，称之为电子的基态。同时假定电子的激发态处于一个准连续的能带。所对应的分立能级为,(5-40),下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,1.电子受激跃迁的半经典分析 根据上述条件，可以定量研究光电发射的电子从基态开始的受激跃迁过程。这里假定没有任何中间能级参与光电子的发射过程。令入射辐射所产生的电磁场与电子的相互作用从时间t0时开始。根据量子力学的微扰理论，入射辐射将产生一个与时间有关的扰动哈密顿函数H1（t）。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,1.电子受激跃迁的半经典分析 由于激发态是一个准连续分布的能带，可以认为是一个近似呈均匀分布的态密度函数。因此，（k）可以移到积分号外边。又因为0是正实数，所以函数（k-0）的积分限为0，与-是相等的。因此,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,1.电子受激跃迁的半经典分析,(5-66),下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,上式的结果表明，光电发射体内电子在光辐射激发下，受激跃迁的几率速率（单位时间的几率）与入射辐射强度A02成正比，与基态b到激发态k（准连续带）的电子跃迁矩阵元成正比，还与基态和激发态的态密度（k）成正比。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,事实上，光电发射体内电子受激过程是很复杂的，尤其是半导体光电发射的受激过程，它可能是来自价带上的电子，也可能是来自杂质能级上的电子以及自由电子。因此，其初态能级是多种多样的。上式只是近似证明电子受激发射的结果。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,2受激电子向表面迁移过程的分析 光电发射体内电子受激后，在其寿命时间内要产生迁移运动。电子从受激处向表面迁移的过程中会因散射而损失一部分能量。所产生的散射有：自由电子散射、晶格散射、激子散射等。除此之外，受激电子与体内束缚电子发生非弹性碰撞而产生次级电子-空穴对时，将损失更多的能量。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,自由电子散射是发生在金属光电发射材料内的主要散射，只有靠近光电发射体表面处的受激电子才能迁移到表面。这表明被激发电子的逸出深度小，因此金属的光电发射特性差，所以一般不使用纯金属作光电发射材料。与此相反，由于非简倂的半导体在室温状态下，自由电子很少，因此自由电子散射几率显著下降。这样的半导体光电发射材料的自由电子散射可以忽略不计，这也是主要光电发射体都采用半导体材料的原因之一。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,晶格散射是半导体光电发射材料中比较主要的一种散射。晶体中晶格振动能量的改变是量子化的，改变量的大小为声子。通常，受激电子每经过一次晶格散射会损失0.0050.1eV的能量，比较可知，它比自由电子散射的损失要小得多。由于两次晶格散射之间受激电子的平均自由程也较长，因此，半导体光电发射材料中的受激电子可以迁移较长的距离而不损失过多的能量。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,实验表明，在距表面百分之几微米处受激的电子迁移到表面时，平均损失于晶格散射的能量约为1eV，这使得受激电子仍能具有克服表面电子亲和势的能量。因此，半导体光电发射材料优于金属光电发射材料，主要表现是受激电子的逸出深度大得多，即表现出很显著的光电发射体积效应。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,束缚电子碰撞电离是指受激电子向表面迁移时，与价带电子或其他束缚能级上的电子发生碰撞并在一定条件下产生电离，这一碰撞将使受激电子损失较多的能量。一般情况下，引起碰撞电离所需的能量为禁带宽度Eg的23倍，此能量称之为产生次级电子-空穴对的阈值能量。通常产生碰撞电离时，受激电子的平均自由程为毫微米数量级。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,除上面讨论的散射因素外，对受激电子产生影响的还有晶体状态的影响，包括：光电发射材料的晶体缺陷产生的散射、晶体中应力产生的散射、在晶粒边界处产生的散射等。这些散射也将造成受激电子的能量损失。为减少这类散射的损失，应严格控制光电发射体制备的工艺过程。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,3.电子逸出表面过程的分析,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,3.电子逸出表面过程的分析 半导体的光电逸出功Wc不同于热电子发射逸出功Wh。根据定义，T0 K时电子占据的最高能级是价带顶，它的光电逸出功Wc是指从价带顶把电子激发到导带并使之逸出表面的最低能量，也就是价带顶到真空能级之间的能量差，即,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,3.电子逸出表面过程的分析 其数值等于禁带宽度Eg与电子亲和势EA之和。由此可确定本征半导体在绝对零度时的长波阈（红限）波长0为 式中，h和c分别表示普朗克常数和真空中光速。,（5-77）,（5-78）,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,3.电子逸出表面过程的分析 由以上可知，光电发射体内电子可由小于阈值波长的光子激发成为灼热的电子，它经散射迁移到真空界面时，如具有克服电子亲和势正EA的能量则可逸出表面，形成光电发射。因此，受激电子能否逸出表面主要取决于电子亲和势。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,3.电子逸出表面过程的分析 半导体表面吸附有其他元素的分子、原子或离子，都可以形成束缚能级，称之为表面态。如果吸附层较厚，则在表层形成施主或受主能级，从而构成异质结。这些情况都会影响表面处半导体的能带的变化（弯曲），因此改变了电子逸出表面的状况，也就改变了电子逸出表面所需要的能量，即改变了它的光电逸出功Wc。,下一页,上一页,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,3.电子逸出表面过程的分析(1)P型半导体附有N型表面态表面态中的电子跃迁到P型半导体的受主能级上，以建立费米能级的平衡。由此导致在外表层形成正的空间电荷区，在内表层形成负的空间电荷区。弯曲的能带有效地减小了导带底与真空能级之间的能量差。这种结构所产生的热电子发射较小，故也有利于降低光阴极的暗发射。,下一页,上一页,5.3.1 光电子发射的基本理论,3.电子逸出表面过程的分析（2）N型半导体附有P型表面 N型半导体的费米能级处于导带底附近，在与表面未建立平衡前，它比表面态的费米能级高。因此在建立平衡时，表面的受主能级将接受半导体内部的电子，由此形成内正外负的空间电荷区。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,像管实用光阴极的种类很多，通常是以其敏感的光谱范围来分类。目前，根据国际电子工业协会标准采用S系列序号来命名各种实用光阴极的光谱响应特性。,下一页,返回5.3,5.3.2 典型实用光阴极,紫外及可见光敏感的光阴极的光谱响应特性,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,可见光敏感的光阴极的光谱响应特性,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,近红外及可见光敏感的光阴极的光谱响应特性,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,1银氧铯（Ag-O-Cs）光阴极 银氧铯光阴极是1929年最先发明的一种对近红外光敏感的实用光阴极，它的光谱响应范围在3001200nm的波长区域，其响应曲线有两个峰值：短波峰介于300400nm之间，长波峰位于800nm附近。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,1银氧铯（Ag-O-Cs）光阴极 目前有两种理论模型用于解释银氧铯光阴极的发射机理：一个是半导体理论模型，另一个是固溶胶理论模型。由吴全德教授提出的固溶胶理论大大推进了关于Ag-O-Cs光阴极结构和机理的研究。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,1银氧铯（Ag-O-Cs）光阴极 固溶胶理沦模型认为：在半导体中的杂质银原子，当超过一定浓度后，会产生脱溶现象而形成银胶粒（直径小于100nm）；银胶粒可以在晶粒内，也可以在晶界上；银胶粒不是施主，而是一种电子阱，脱溶的胶粒不服从化学热力学而服从于化学动力学，即温度升高时胶粒体积增大合并但过程不可逆。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,1银氧铯（Ag-O-Cs）光阴极,银氧铯光阴极的结构是：大量的银胶粒和银颗粒（直径大于100nm）分散埋藏在Cs2O半导体层中，其表面附有单原子铯层,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,1银氧铯（Ag-O-Cs）光阴极 银氧铯光阴极在波长小于350nm的紫外区域的光电发射是在薄Cs2O层中产生的，Cs2O在其发射过程中只起到降低逸出功的作用。在对波长超过400nm的辐射，其光电发射来源于埋藏在Cs2O中的小银胶粒的贡献，银胶粒被Cs2O层所包围，其界面位垒由金属与半导体接触而形成，对于波长大于1100nm的光电发射，通常则认为是来自Cs2O中的Cs杂质能带以及表面吸附铯的贡献。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,2锑铯（Sb-Cs）光阴极 1936年研制出的锑铯光阴极其光谱响应在大部分可见光区和紫外区，长波阈值接近650nm。峰值光谱灵敏度处于蓝光和紫外波段，峰值的量子效率接近20。根据所用的窗口材料的不同而有不同的光谱特性。在S系列中包括S-4，S-5，S-11，S-13，S-17和S-19等多种编号。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,2锑铯（Sb-Cs）光阴极,1玻璃衬底；2Cs缺陷或锑原子；3表面吸附的Cs原子,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,2锑铯（Sb-Cs）光阴极 CsSb层的化学组成为Cs3Sb，它是由平均尺寸约为7.58.5nm的Cs3Sb半导体微晶构成的多晶薄膜，Cs3Sb的禁带宽度为1.6eV。锑铯光阴极的光电发射主要来自价于带中的受激电子，属于本征光电发射。这可以通过光谱响应在200600nm范围内很平坦来解释。在该区域内，光的吸收因数很高，约为105cm-1量级。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,锑铯光阴极的表面附有铯的单原子层。这一单原子层能进一步降低电子亲和势。这是因为铯的电离能小于锑铯半导体的热逸出功函数，所以铯原子的价电子要转移到锑铯半导体内的受主上。由此半导体形成了负的空间电荷区而使表面处能带向下弯曲。在表面态的能级上由于铯的正离子和负空间电荷区之间构成一个偶极层，从而导致沿偶极层的电位下降，促使电子亲和势由EAtrue降为EAeff。一般说来锑铯光阴极的电子亲和势EA0.45eV。,下一页,上一页,锑铯光阴极表面能带图,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,3.多碱光阴极 锑与一种以上的碱金属结合可获得比单碱锑铯光阴极更高的量子效率，其中有双碱、三碱和四碱等，统称为多碱光阴极。这类光阴极在可见光波段有很高的量子效率，峰值量子效率接近30。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,3.多碱光阴极 Sb-K-Na-Cs光阴极不仅量子效率高，而且有宽得多的光谱响应范围，其长波阈已扩展到近红外区域。编号为S-20的Sb-K-Na-Cs光阴极基本上按Sb、K、Na、Cs的顺序激活。光阴极的电子亲和势为0.55eV。Sb-K-Na-Cs 光阴极在长波阈附近也有明显的非本征光电发射。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,多碱光电阴极表面能带结构(a)无表面Cs层；(b)有表面Cs层,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,3.多碱光阴极 在很多Sb-K-Na-Cs光阴极的应用领域中，特别是在夜视技术中，要求阴极增强其红光与红外响应，以提高系统的探测能力。经过改进的多碱光阴极可以通过调整光阴极的厚度来改善它的光谱响应特性。有效地利用了长波光子的吸收距离，从而可以将光阴极的长波阈延伸到0.9m以上，且光电灵敏度也显著提高。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,4.负电子亲和势（NEA）光阴极 自负电子亲和势光阴极理论于1963年提出以来，研究者用铯吸附在P型GaAs表面得到了零电子亲和势，其后又有人对GaAs表面以Cs和O2交替激活，得到了负电子亲和势，通常用缩写NEA来表示的负电子亲和势光阴极。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,4.负电子亲和势（NEA）光阴极 目前，制成负电子亲和势的半导体材料有两类：一类是化学元素周期表中的族和族元素的化合物单晶半导体；一类是硅单晶半导体。两类都是通过吸附Cs、O表面层来形成负电子亲和势。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,4.负电子亲和势（NEA）光阴极,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,4.负电子亲和势（NEA）光阴极 从真空界面来看，它的第一层是单分子的CsO层。第二层是GaAs单晶外延层，其构成光电发射体。第三层是AlGaAs单晶层，它是为生成良好的单晶态GaAs层而设置的基底层。AlGaAs与GaAs两者有良好的晶格匹配，从而能有效地减少光阴极后界面处受激电子的复合速率，保证光电发射的性能。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,4.负电子亲和势（NEA）光阴极 到目前为止，对于Cs、O在-族化合物表面上存在的形态，以及它们使逸出功降低并形成负电子亲和势的理论，仍有着不同的看法。下面主要介绍两种理论模型：异质结构理论模型和偶极层理论模型。异质结理论模型认为，GaAs层通过重掺杂构成P型半导体，它的表面先吸附单原子的Cs层，再吸附一层Cs2O层。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,4.负电子亲和势（NEA）光阴极,Cs2O异质结能带,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,4.负电子亲和势（NEA）光阴极 偶极层模型与异质结模型不同，认为表面吸附的Cs和Cs2O层只是单原子及分子层。对于这样的薄层，应当用偶极层来解释。,下一页,上一页,NEA光电阴极的双偶极层模型(a)GaAs的表面结构;(b)GaAs的能带模型,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,4.负电子亲和势（NEA）光阴极 负电子亲和势光阴极的光电子逸出过程是受激电子的扩散过程。由于扩散是无规则的热运动，加上浓度梯度的作用，实际上将趋向于定向运动。若有内部电场存在时，必然会加速或阻碍扩散运动。光阴极产生内部电场的因素有外电场渗透到半导体中引起体内附加电场、表面的偶极子层、表面态造成的表层能带弯曲等。上述各项因素都有利于受激电子向真空界面扩散。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,5.紫外（UV）光阴极 紫外辐射与可见光并没有本质上的区别，只是由于紫外辐射的光子能量高而产生了一些特殊要求。首先是对窗口材料的要求。紫外光阴极器件的短波截止波长，一般取决于窗口材料的光谱透过性质。,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,5.紫外（UV）光阴极,透紫外窗口材料的光谱透射比曲线,下一页,上一页,5.3.2 典型实用光阴极,5.紫外（U
