《光电发射器》PPT课件.ppt

第4章 光电发射器件,4.1 光电发射阴极4.2 真空光电管和光电倍增管的原理4.3 光电倍增管的基本特性4.4 光电倍增管的供电电路4.5 光电倍增管的典型应用,4.1 光电发射阴极,真空光电发射器件具有：极高的灵敏度、快速响应。在微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息的捕捉等方面具有相当大的应用领地。,光电发射阴极是光电发射器件的重要部件。它的性能直接影响着整个光电发射器件的性能，为此，首先讨论用于制造光电阴极的典型光电发射材料。,结构特点：有一个真空管；将辐射转换为电信号，依靠的是能够产生光电发射效应的光电发射阴极。,光电发射器件：基于外光电效应的光电转换器件。,4.1.1 光电发射阴极的主要参数,光电发射阴极的主要特性参数为灵敏度、量子效率、光谱响应和暗电流等。1.灵敏度 包括光谱灵敏度与积分灵敏度两种。1)光谱灵敏度 在单色（单一波长）辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与单色辐射通量e,之比为光电阴极的光谱灵敏度Se,。其量纲为A/W或A/W。Se,=IK/e,2)积分灵敏度 在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与入射辐射通量e之比为光电阴极的积分灵敏度Se，量纲为mA/W或A/W。在可见光波长范围内的“白光”作用于光电阴极时，光电阴极电流Ik与入射光通量v之比为光电阴极的白光灵敏度Sv，量纲为mA/lm。Sv=,2.量子效率,在单色辐射作用于光电阴极时，光电阴极发射单位时间发射出去的光电子数Ne,与入射的光子数之比为光电阴极的量子效率（或称量子产额）。即,量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。它们之间的关系为,（4-1）,3.光谱响应,光电发射阴极的光谱灵敏度（或量子效率）随入射辐射波长的变化曲线称为光谱响应。由材料决定。,4.暗电流 光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下获得了热能产生热电子发射，形成暗电流。光电发射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值有关。一般光电发射阴极的暗电流极低，其强度相当于10-1610-18Acm-2的电流密度。,4.1.2 光电阴极材料,1.单碱锑化物,锑铯(Cs3Sb)光电阴极是最常用的、量子效率很高的光电阴极。峰值量子效率高达20%30%。,两种或三种碱金属与锑化合形成多碱锑化物光阴极。其量子效率峰值可高达30%。,2.多碱锑化物,3.银氧铯 银氧铯(Ag-O-Cs)阴极是最早使用的光阴极。具有良好的可见和近红外辐射响应，光谱范围从300 nm到1200 nm。银氧铯使用温度可达100，但暗电流较大，且随温度变化较快。,4.紫外光电阴极 在某些应用中，要求光电阴极材料只对所探测的紫外辐射灵敏，对可见光无响应。通常称为“日盲”型光电阴极材料，也称紫外光电阴极材料。主要有碲化铯(CsTe)和碘化铯(Csl)两种。长波限分别为0.32m和0.2m。,5.负电子亲合势材料(NEA)它们的真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势变为负值。主要是第III-V族元素化合物，这种材料称作负电子亲和势光电阴极材料。,具有以下特点：,量子效率高；,光谱响应率均匀；,热电子发射小；,光电子的能量集中。,4.2 光电管与光电倍增管的工作原理,4.2.1 光电管的原理 真空光电管主要由光电阴极和阳极两部分组成，因管内常被抽成真空而称为真空光电管。然而，有时为了使某种性能提高，在管壳内也充入某些低压惰性气体形成充气型的光电管。无论真空型还是充气型均属于光电发射型器件，称为真空光电管或简称为光电管。其工作原理电路如图4-2所示，在阴极和阳极之间加有一定的电压，且阳极为正极，阴极为负极。,1、真空型光电管的工作原理 当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴极面上时，光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动，被高电位的阳极收集。其光电流的大小主要由阴极灵敏度和入射辐射的强度决定。,2、充气型光电管的工作原理 光照生电子在电场的作用下运动，途中与惰性气体原子碰撞而电离，电离又产生新的电子，它与光电子一起都被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流。,4.2.2 光电倍增管的原理,光电倍增管（Photo-multiple tube简称为PMT）是在光电管基础上研制的一中光电发射器件。极大地提高了检测灵敏度。主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。如图4-3所示为光电倍增管原理示意图。,PMT的入射窗结构：端窗式和侧窗式两种。材料：硼硅玻璃；透紫外玻璃；石英；蓝宝石；MgF2等。主要考虑透过率和短波限。,1）倍增极材料,锑化铯（CsSb）材料具有很好的二次电子发射功能，它可以在较低的电压下产生较高的发射系数，电压高于400V时的值可高达10倍。,氧化的银镁合金材料也具有二次电子发射功能，它与锑化铯相比二次电子发射能力稍差些，但它可以工作在较强电流和较高的温度（150）。,2.电子倍增系统,铜-铍合金（铍的含量为2%）材料也具有二次电子发射功能，不过它的发射系数比银镁合金更低些。新发展起来的负电子亲和势材料GaPCs，具有更高的二次电子发射功能，在电压为1000V时，倍增系数可大于50或高达200。,2）倍增极结构 光电倍增管按倍增极结构可分为聚焦型与非聚焦型两种。非聚焦型光电倍增管有百叶窗型（图4-4（a）与盒栅式（图4-4（b）两种结构；聚焦型有瓦片静电聚焦型（图4-4（c）和圆形鼠笼式（图4-4（d）两种结构。,4.3 光电倍增管的基本特性,1.灵敏度,1)阴极灵敏度,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,(4-2),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,(4-3),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,若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa,(4-4),(4-5),2.电流放大倍数（增益）,电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性，它不但与倍增极材料的二次电子发射系数有关，而且与光电倍增管的级数N有关。理想光电倍增管的增益G与电子发射系数的关系为,G=,N,（4-6）,当考虑到光电阴极发射出的电子被第1倍增极所收集，其收集系数为，且每个倍增极都存在收集系数，因此，增益G应修正为,(4-7),对于非聚焦型光电倍增管 近似为90%，要高于 但小于1；对于聚焦型的，尤其是在阴极与第1倍增极之间具有电子限束电极F的倍增管，其 1，可以用式（4-6）计算增益G。,i,1,倍增极的二次电子发射系数可用经验公式计算，对于锑化铯（Cs3Sb）倍增极材料有经验公式,（4-8）,对于氧化的银镁合金（AgMgOCs）材料有经验公式=0.025UDD(4-9)显然，上述两种倍增材料的电流增益G与极间电压UDD的关系式由式（4-6），（4-7）和（4-8）得到：,对于锑化铯倍增极材料,（4-10）,对银镁合金材料,（4-11）,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。,（4-12）,3.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。,影响暗电流的主要因素：,1)欧姆漏电 欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。,2)热发射 由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。,（4-13）,降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法。,3)残余气体放电 光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和电子，它们也将被倍增，形成暗电流。这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。,4)场致发射 光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极尖端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流。显然，降低工作电压场致发射暗电流也将下降。,5)玻璃壳放电和玻璃荧光 当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间的电场很强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极电场最强。在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，放电和荧光都要引起暗电流，而且还将严重破坏信号。因此，在阴极为负高压应用时屏蔽壳与玻璃管壁之间的距离至少为1020mm。,4.噪声,光电倍增管的噪声主要由散粒噪声和负载电阻的热噪声组成。负载电阻的热噪声为,（4-14）,散粒噪声主要由阴极暗电流Id，背景辐射电流Ib以及信号电流Is的散粒效应所引起的。阴极散粒噪声电流为,（4-15）,散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产生自身的散粒噪声。如,第1级输出的散粒噪声电流为,（4-16）,第2级输出的散粒噪声电流为,第n级倍增极输出的散粒噪声电流为,为简化问题，设各倍增极的发射系数都等于（各倍增极的电压相等时发射系数相差很小）时，则倍增管末倍增极输出的散粒噪声电流为,（4-19）,通常在36之间，接近于1，并且，越大，越接近于1。光电倍增管输出的散粒噪声电流简化为,（4-20）,总噪声电流为,（4-21）,在设计光电倍增管电路时，总是力图使负载电阻的热噪声远小于散粒噪声,（4-21）,设光电倍增管的增益G=104，阴极暗电流Idk=10-14A，在室温300K情况下，只要阳极负载电阻Ra满足,（4-23）,当然，提高光电倍增管的增益（增高电源电压）G，降低阴极暗电流Idk都会减少对阳极电阻Ra的要求，提高光电倍增管的时间响应。,5.伏安特性,1)阴极伏安特性,当入射光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极电流Ik与阴极和第一倍增极之间电压(简称为阴极电压Uk)的关系曲线称为阴极伏安特性，,图4-6为不同光通量下测得的阴极伏安特性。从图中可见，当阴极电压较小时阴极电流Ik随Uk的增大而增加，直到Uk大于一定值(几十伏特)后，阴极电流Ik才趋向饱和，且与入射光通量成线性关系。,2)阳极伏安特性,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，图4-7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成线性关系而与阳极电压的变化无关。,（4-24）,6.线性,光电倍增管的线性一般由它的阳极伏安特性表示，它是光电测量系统中的一个重要指标。线性不仅与光电倍增管的内部结构有关，还与供电电路及信号输出电路等因素有关。,内因:即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率等的变化.外因:光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分配都可能破坏输出信号的线性。,7.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。,思考题,4.1 何谓光电倍增管的增益特性？光电倍增管各倍增极的发射系数与那些因素有关？最主要的因素是什么？4.2 光电倍增管的主要噪声是什么？在什么情况下热噪声可以被忽略？4.3 怎样理解光电倍增管的阴极灵敏度与阳极灵敏度？二者的区别是什么？二者有什么关系？,4.4 光电倍增管的供电电路,光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为首选的光电探测器。,供电电路设计是正确使用光电倍增管的关键。,光电倍增管正常工作时，需在阳极和阴极之间加500-1000伏的高压。,供电电路设计目的：将高压在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间按一定规律分配。,保证光电子被有效地收集，光电流通过倍增系统得到有效放大。,4.4.1 电阻分压式供电电路,多数情况下采用阳极接地、阴极接负高压方式(图a)。此方案消除了外部电路与阳极之间的电压差，便于电流计或电流电压转换运算放大器直接与光电倍增管相连接。,光电倍增管的供电电路种类很多，最常用的电阻分压式供电电路。如下图所示，有阳极接地、阴极接地方式。,如图4-8所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10级倍增极提供电压UDD。,1、电阻链的设计,流过各分压电阻Ri的电流等于分压电流与流过各分压电阻倍增极电流之差。考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应(阳极电流 Ia 最大)，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等。当分压电流 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：IR10Ia（4-25）,分压电流：,选择的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，计算分压电阻：R=Ubb/IR（4-26）,各分压电阻Ri 为,(4-28),考虑阴极与第一倍增极距离较远，设计UD1 为其他的1.5倍。R1应为：R1=1.5 Ri,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，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,可以计算出UDD与Ubb。,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,式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，为脉冲的持续时间，UDD为极间电压，L为增益稳定度的百分数。,4、电源电压的稳定度,对式（4-8）与式（4-9）进行微分，并用增量形式表示，可得到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,对银镁合金倍增极,由于光电倍增管的输出信号Uo=G Skv RL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关。,在实际应用中,对电源电压稳定度的要求常常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%。,例 设入射到PMT上的最大光通量为v=1210-6lm左右，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，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，SK=40A/lm，若要求入射光通量在610-6lm时的输出电压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？解(1)首先计算供电电源的电压 根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性，可以选择阳极电阻Ra=82k，阳极电流应不小于Iamin，因此,Iamin=UO/Ra=0.2V/82 k=2.439A入射光通量为0.610-6lm时的阴极电流为 IK=SKv=4010-60.610-6=2410-6A此时，PMT的增益G应为,由于G=N，N=8，因此，每一级的增益=4.227，另外，SbCs倍增极材料的增益与极间电压UDD有，可以计算出=4.227时的极间电压UDD,总电源电压Ubb为:,Ubb=（N+1.5）UDD=741V,(2)计算偏置电路电阻链的阻值偏置电路采用如图4-8所示的供电电路，设流过电阻链的电流为IRi，流过阳极电阻Ra的最大电流为 Iam=GSKvm=1.021054010-61210-6=48.96A 取IRi10 Iam，则 IRi=500A因此，电阻链的阻值Ri=UDD/IRi=156k 取Ri=120 k，R1=1.5Ri=180 k。,(3)计算偏置根据式（4-35）输出信号电压的稳定度最高为,例4-2 如果GDB-235的阳极最大输出电流为2mA，试问阴极面上的入射光通量不能超过多少lm？解 由于Iam=G SKVm 故阴极面上的入射光通量不能超过,4.4.2 电压信号输出方式,电路的负载电阻为RL,PMT阳极与导线电容、杂散电容在内的其他各极间的总电容为Cs。,截止频率：,选择负载电阻时要注意三点：(1)在频响要求比较高的场合，负载电阻应尽可能小一些。(2)输出信号的线性要求较高时，选择的负载电阻应使信号电流在它上面产生的压降在几伏以下。(3)负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多。,1、用负载电阻实现电流-电压转换,2、用运算放大器实现电流-电压转换,下图为一个由运算放大器构成的电流电压转换电路。,由于运算放大器的输入阻抗非常高，光电倍增管的输出电流被阻隔在放大器的输入端外。因此，大多数的电流流过反馈电阻Rf，其上的压降为IaRf。,运算放大器的开环增益高达105，其反向输入端和正向输入端电位保持相等，放大器的输出电压等于Rf上的电压：U0=-Ia Rf,理论上，使用前置放大器进行电流-电压转换的精度可高达放大器开环增益的倒数。,MCP光电倍增管:如果用微通道板代替一般光电倍增管中的电子倍增器，就构成微通道板光电倍增管。,微通道板光电倍增管,微通道是一根根很细的玻璃管。它的内壁镀有高阻的二次发射材料，施加高电压后内壁将出现电位梯度，光电阴极发出的一次电子轰击微通道的一端，发射出的二次电子因电场加速而轰击另一处，再发射二次电子，这样连续多次发射二次电子，可获得约104的增益。,MCP光电倍增管尺寸大为缩小，电子渡越时间很短，阳极电流的上升时间几乎降低了一个数量级，有可能响应更窄的脉冲或更高频率的辐射。,为了获得较高的增益，通道的长度不能太长。由于通道中存在残余离子，这些正离子与电子的移动方向相反，撞击管壁时将释放出更多的二次电子，有可能产生雪崩击穿；或者在负端离开通道，破坏光电阴极。所以一般将通道制成人字形或z形的折线通道，以减小离子自由飞行的路程，和由离子轰击发射的二次电子。带有两个串联的MCP光电倍增管的基本电路如下图所示.,微通道板是由成千上万根直径为1540m、长度为0.61.6mm的微通道排成的二维列阵，如图所示，简称MCP。,4.5 光电倍增管的典型应用,4.5.1 光谱探测领域的应用,光电倍增管具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流和低噪声，还能够在很大范围内调整内增益。因此，它在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。,1、发射光谱,发射光谱分析仪的基本原理如图4-10所示。,用来测量光源在某个波长范围内的辐射功率。它在元素的成分鉴定、各种化学分析和冶金学分析仪器中都有广泛的应用。,2吸收光谱,吸收光谱仪是光谱分析中的另一种重要的仪器。吸收光谱仪的原理图如图4-11所示，它与发射光谱仪的主要差别是光源。,发射光谱仪的光源为被测光源，而吸收光谱仪的光源为已知光谱分布的光源。吸收光谱仪与发射光谱仪相比，它比发射光谱仪多一个承载被测物的样品池。,4.5.2 极微弱光信号的探测光子计数,由于光电倍增管的放大倍数很高，所以常用来进行光子计数。,光子计数系统是理想的微弱光探测器，它可以探测到每秒10-20个光子水平的极微弱光信号。,闪烁计数是将闪烁晶体与光电倍增管结合在一起探测高能粒子的有效方法。如下图所示，当高能粒子照到闪烁体上时，它产生光辐射并由倍增管接收转变为电信号，而且，光电倍增管输出脉冲的幅度与粒子的能量成正比。,在医学上的应用:,射线探测在核医学上已经应用的PET(Position Emission Tomography)系统，与一般CT的区别在于它可以对生物的动机能进行诊断。最新发展的时间分辨荧光免疫分析(TRFIA)，等。,4.5.3 射线的探测,1.阳极电流要小于lA，以减缓疲劳和老化效应。2.分压器中流过的电流应远大于阳极最大电流，但是不应过分加大，以免发热。3.高压电源的稳定性必须达到测量精度的10倍以上。4.用运算放大器作光电倍增管输出信号的电流电压变换，可获好的信噪比和线性度。5.光电倍增管使用前应接通高压电源，不用时应贮存在黑暗中。6.光电倍增管不能在有氦气的环境中使用，因为它会渗透到玻壳内而引起噪声。7 光电倍增管参数的离散性很大，要获得确切的参数，只能逐个测定。,在测量中，正确使用光电倍增管应该注意如下几点：,思考题与习题4,1.光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5A/lm，阳极光照灵敏度为50A/lm，长期使用时阳极允许电流应限制在2A以内。问:1）、阴极面上最大允许的光通量为多少lm？2）、当阳极电阻为75K时，问其最大的输出电压为多少？3）、若已知该光电倍增管为12级的Cs3Sb倍增极，其倍增系数为=0.2(UDD)0.7，试计算它的供电电压值？4）、当要求输出信号的稳定度为1%时，求高压电源电压的稳定度应为多少？,2.试用表4-4所示的光电倍增管GDB-151设计探测光谱强度为210-9lm的光谱时，若要求输出信号电压不小于0.3mV，稳定度要求高于0.1%，试设计该光电倍增管的供电电路。3.设入射到PMT光敏面上的最大光通量为v=810-6lm左右，当采用GDB-239型倍增管为光电探测器探测入射，已知GDB-239为11级的光电倍增管，阴极为AgOCs阴极，倍增极也为AgMg合金材料，阴极灵敏度为10A/lm，若要求入射在810-6lm时的输出电压幅度不低于0.15V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？,