光电子发探测器.ppt

第三章 光电子发射探测器,光电子技术,3-1 光电子发射效应,外光电效应光电子发射效应 photoemission(PE)金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hn足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，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。,光电发射效应图示,电子离开表面的动能,hn光子能量Wj光电发射体的功函数。物理意义电子吸收光子能量hnWj，电子将以速度从发射体表面逸出,光电发射定律（爱因斯坦定律）,光电发射效应能量关系,故探测器能吸收光波长为,为截止波长,光电发射的基本过程金属和半导体材料中的光电子发射步骤: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。,光电发射的基本过程,或金属,金属的光电子发射,金属反射掉大部分入射的可见光（反射系数90%以上）-吸收效率很低,光电子在金属中与大量的自由电子碰撞-在运动中散射损失很多能量,-金属中光电子的逸出深度很小（几个nm），逸出功大于3eV,能量小于3eV（410nm）的可见光-很难产生光电发射,-金属材料的光电子发射率都很低（大部分光谱响应在紫外或者远紫外区）,铯（2eV逸出功）-可见光灵敏（光电阴极）,只有很靠近表面的光电子才有可能到达表面并克服势垒逸出,W=E0-EF,电子逸出功-描述材料表面对电子束缚强弱的物理量（数值上等于电子逸出表面所需的最低能量）-光电发射体的功函数(能量阈值),金属材料的电子逸出功W-热力学温度T=0K时真空能级与费米能级EF之差,-材料的参量，可以用作光电发射的能量阈值,EF-费米能级（不代表电子占据的真实能级，参考能量）,金属中没有禁带-费米能级以下的基本上为电子所填满，费米能级以上基本上是空的,-电子亲合势描述,EA-导带底上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与导带底能级之差）,-表征半导体在发生光电效应时电子逸出材料的难易程度（小-容易）,半导体的光电发射,E A=E0-EC,半导体内自由电子较金属少（存在有禁带），费米能级在禁带当中（随参杂情况和温度条件变化）-真空能级与费米能级之差不是材料参量,半导体电子逸出功-真空能级与电子发射中心的能级之差（温度T=0K时）,电子发射中心的能级-杂质能级、价带顶、导带底（情况复杂）,E=Eg+EA=E0-Ev,表示半导体光电发射的难易-电子亲和势,本征半导体材料光电子发射的阈值-真空能级与价带顶之差（亲和势加上禁带宽度）,常规光电阴极（EA0）-沿用已久，用于真空光电器件中,负电子亲和势阴极（EA0）-近期出现的新型材料,3-2 光电子发射材料,优异的光电发射材料应满足：（1）对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发；（2）受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过程中损失的能量少；（3）材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；（4）另外，作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。,一、基本特性,二、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、光谱响应曲线和热电子发射等。,1.灵敏度 光电发射阴极的灵敏度应包括光谱灵敏度、光照灵敏度和色光灵敏度。,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,即光照灵敏度,量纲为mA/lm。,光照灵敏度,描述局部光谱区域的积分灵敏度。在特定波长范围内的光作用于光电阴极时，光电阴极电流Ik与入射的实际总光通量v之比为光电阴极的色光灵敏度Se。,量纲为mA/lm。,色光灵敏度,光谱灵敏度 定义在单色光（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。,2.量子效率,定义在单色光辐射作用于光电阴极时，光电阴极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,3.光谱响应,光电发射阴极的光谱响应特性用光谱响应特性曲线描述。光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系曲线称为光谱响应。,4.热电子发射 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。,银氧铯(Ag-O-Cs)阴极 银氧铯(Ag-O-Cs)阴极是最早使用的高效光阴极。它的特点是对近红外辐射灵敏。制作过程是先在真空玻璃壳壁上涂上一层银膜再通入氧气，通过辉光放电使银表面氧化，对于半透明银膜由于基层电阻太高，不能用放电方法而用射频加热法形成氧化银膜，再引入铯蒸汽进行敏化处理，形成Ag-O-Cs薄膜。,三、常用的光电发射材料,-光谱范围在300 nm到1200 nm之间。量子效率不高，峰值处约0.5%1%左右。,峰值波长-0.35m、0.8 m,使用温度可达100，但暗电流较大，且随温度变化较快。,2.单碱与多碱锑化物光阴极,锑铯(CsSb)光电阴极是最常用的，量子效率很高的光电阴极,长波限约为700nm。对红外不灵敏。锑铯阴极的峰值量子效率较高，一般高达20%30%，比银氧铯光电阴极高30多倍。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%。,CsSb光电阴极,峰值波长-0.4m,四、负电子亲和势(NEA-Negative Electron Affinity)光电阴极,电子亲和势-半导体导带底部到真空能级间的能量值,-表征材料在发生光电效应时，电子逸出材料的难易程度,电子亲和势小-容易逸出,电子亲和势为零/负值-电子处于随时可以脱离的状态,电子亲和势为负值的材料制作光电阴极-光子激发出的电子只要能够扩散到表面就能逸出（灵敏度极高）,半导体表面进行特殊处理（表面区域发生能带弯曲）-真空能级降到导带底之下（有效电子亲合势成为负值）,-大大降低光电发射的阈值，提高材料量子效率,-采用特殊工艺处理的阴极-负电子亲和势光电阴极（NEA）,负电子亲和势光电阴极的优点,量子效率高光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀热电子发射小光电子能量集中,一、真空光电管的结构与工作原理,真空光电管构造示意图,真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。,3-3 真空光电管,光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。,特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20200A/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。,缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等,在伏安特性曲线的饱和区,当电压u一定时,光电流与入射光功率成线性变化。,二、光电特性和伏安特性,1、无光照情况,2、饱和电导,的角度决定了光电管进入饱和区的快慢,3、工作负载线,暗电阻,暗电导,4、负载电阻RL和电源偏置电压V的设计,负载线刚好从M点穿过，可得：,光照时，流过光电管的电流,电流灵敏度,且由饱和电导得：,所以：,最后：,三、频率特性,i,Cd,RL,光电管等效电路,上限截止频率fc-输出信号功率降到零频时的一半（信号幅度下降到0.707）,等效电容,式中:0为真空介电常数A为光电阴极面积,d为阴极和阳极间距。光电管的截止频率通常在百兆赫量级。,3-4 光电倍增管,紫外、可见、近红外-高灵敏度、低噪声（二次发射倍增系统）,响应速度快、阴极面积大,应用-光子计数、闪烁计数、石油勘探,3-4 光电倍增管,光电培增管是外光电效应探测器，把微弱的入射光转换成光电子，并获得培增的重要的真空光电发射器件。,一结构与原理,光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极等五个主要部分组成，其外形如图。,1、结构,2、工作原理,光子透过入射窗口入射到光电阴极上光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次。经过倍增后的二次电子由阳极A收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。,二组成部分,1、光窗,光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。通常有侧窗和端窗两种，侧窗一般使用反射式光电阴极，而端窗一般使用半透明光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面。常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。,如：硼硅玻璃，其透射光谱范围从300nm到红外 熔融石英，其透紫外波长可达到160nm,2、光电阴极,它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体，它决定了倍增管光谱特性的长波阈值，同时也决定了整管的灵敏度。,3、电子光学系统,主要有两方面的作用：使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其它部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比，一般用电子收集率o表示。使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越时间尽可能相等，使渡越时间差异最小，以保证光电倍增管的快速响应，一般渡越时间的离散性t用表示。,4、倍增系统,倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，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。,（1）二次发射电子,具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子的现象称为二次电子发射。轰击材料的入射电子称为一次电子。二次发射过程分三步:材料吸收具有足够大动能的一次电子的能量,激发体内的电子到高能态,这些被激发的电子称为内二次电子。内二次电子中有一部分它的初速度的方向指向倍增极材料表面,这部分内二次电子向表面运动,在运动过程中因散射而损失一部分能量。达到表面的内二次电子，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，即可从表面逸出成为二次电子。,（2）倍增极的原理及结构,二次电子发射系数-表示材料二次发射能力的大小,定义-单个入射电子所产生的平均二次电子数,N1-入射电子数,N2-出射电子数,如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出个二次电子，那么很明显地：,式中，I阳极电流；i0 光阴极发出的光电流；n光电倍增极的级数。,光电倍增管的电流放大系数G可用下式表示:,-倍增系数（与材料的性质、电极的结构和形状、所加的电压有关）,U-倍增极间所加外加电压；C-与材料的性质和结构有关的参数,光电倍增管,n个倍增极（倍增系数相同）-阴极激发一个光电子，阳极就收集到n个倍增后的电子,倍增极个数：914-值：36、G：105108,倍增极材料-四类,a)含碱复杂面-银氧铯、锑铯（灵敏的光电发射体、良好的二次电子发射体）,d)负电子亲和势发射体,b)氧化物型-氧化镁,c)合金型-银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等,低电压下有较大的倍增系数值-倍增管工作电压不至于过高、热发射小、暗电流和噪声小、二次电子发射稳定；温度较高或一次电流较大时，长时间工作 不下降；容易制作,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时的二次发射系数值可高达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）。,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。,聚焦型-电子从前一级飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨迹可能会有交叉,非聚焦型-在两电极间的电子运动轨迹是平行的,百叶窗式的主要特点是工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管。但极间电压较高时，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间差异较大。,盒栅式的主要特点是收集率较高，结构紧凑，但极间电子渡越时间差异较大,直瓦片式的主要特点是极间电子渡越时间差异小，但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性。,圆瓦片式的主要特点是结构紧凑、体积小，但灵敏度和均匀性差些。,结构特点,5、阳极-金属网做的栅网状结构,靠近最末一级的倍增极附近-收集最末一级倍增极发射出来的电子,1、灵敏度和光谱响应度,光电器件在单位入射光通量下的输出电流,阴极灵敏度SK=IK/（IK-阴极发射电流）；,-描述光电器件对输入信号的响应能力,S 光电器件的灵敏度；-入射光通量；I 光电器件的响应电流,阳极灵敏度SA=IA/（IA-阳极出射电流）；,测试-以阴极为一级，其他倍增极和阳极都连到一起为另一极，相对于阴极加100300V直流电压，照射到光电阴极上的光通量约为10-2 10-5lm,测试-各倍增极和阳极都加上适当电压，注明整管所加的电压（整管参量，与整管所加的电压有关）,三光电倍增管的基本特性参数,2、放大倍数（电流增益）,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,当考虑到光电阴极发射出的电子被第1倍增极所收集，其收集率为f，且每个倍增极都存在收集率,称为倍增极间的传递效率g,因此，增益G应修正为,对于非聚焦型光电倍增管,f近似为90%。g要高于f，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的倍增管，其fg1。,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,对于氧化的银镁合金（AgMgOCs）材料有经验公式,对于锑化铯倍增极材料,对银镁合金材料,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。,3、暗电流,各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,限制了可测光通量的最小值，产生噪声的主要因素,-鉴别倍增管质量的重要参量,弱光探测-选取暗电流较小的管子,产生因素,阴极和靠近于阴极的倍增极之间的热电子发射；阳极或其他电极的漏电；由于极间电压过高引起的场致发射；光反馈以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、钍等 放射性元素蜕变产生的 粒子；宇宙射线中的介子穿过光窗式产生的契伦柯夫光子,4、光谱特性,图中示出了锑钾铯（Sb-K-Cs）光电阴极的光谱特性，最灵敏的光谱波长约在4000埃处。同时还要注意环境温度对光电倍增管光谱相应的影响。,5、光电特性,在相当宽的范围内为直线。当光通量很大时，特性曲线开始明显偏离直线。在工作时阴极不能有强光照射，否则易损坏管子。因它的灵敏度高，光电倍增管允许测量非常小的光通量，或所需放大器的级数可以较少。,6、伏安特性,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,右图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。,阳极伏安特性,当入射到光电倍增管阴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，下图为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成线性关系而与阳极电压的变化无关。,通过改变RL来确定静态工作点是否在饱和区,7、输出信号和等效电路,线性变化,交流信号,8、线性,光电倍增管的线性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。,9、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,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,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,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,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,总噪声电流为,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,过剩噪声因子K,阳极负载电阻RL满足,总噪声电流为,例:试求由光电倍增管暗电流所决定的最小可探测功率。,总噪声电流为,最小可探测功率为:,四光电倍增管的供电和信号输出电路,1、高压供电,为了使光电倍增管能正常工作，通常需要在阴极(K)和阳极(A)之间加上近千伏的高压。同时还需要在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间分配一定的极间电压，保证光电子能被有效收集，光电流通过倍增极系统得到放大。最常用的分压器是采用一组电阻跨接在阴极与阳极之间。,(1)供电电压的极性,一般的分压电路中采用阳极接地，负高压供电。如图。,这种供电方式的好处：可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差,这种供电方式的缺点：由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接地，它们与阴极和倍增极之间存在较高的电位差，结果使某些光电子打到玻壳上产生噪声,后几级倍增极的分压电阻上并联电容-极间电压稳定,直流供电-阴极开始电压依次升高（电阻链分压法）,各级电压均相等（约80100V），总电压约10001300V,供电电源电压稳定（优于0.01%）,(2)线性供电方式,总的工作电压U-通过分压电阻网络R1R11加到各相应的电极,各电极的电位按照阴极K，第一倍增极D1，阳极A的次序递增-形成依次递增的电场，使光电倍增管中的光电子加速,RL-负载电阻；,C1、C2、C3-旁路电容,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。IR10Ia,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，可以计算出电阻链分压器的总阻值R,R=Ucc/IR,各分压电阻Ri 为,而R1应为,R1=1.5 Ri,电源电压,对于脉冲信号的探测-适当提高第一倍增极对阴极的电压，有利于缩短输出脉冲的上升时间,探测弱信号-可适当提高第一倍增极与阴极之间的电压（既可以提高第一倍增极对光电子的收集效率，也可以使第一倍增极有较高的二次发射系数-提高信噪比）,方法-增大分压电阻R1,(3)高压电源,上式对极间电压Ubb求导得:,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流增益稳定度一个数量级。例如，当要求输出电流增益稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。,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,极间电压,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Ucc。,由,可以计算出UDD与Ucc。,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。,(4)末极的并联电容,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。,2、信号输出,(1)负载电阻输出,光电倍增管后接的放大器常采用电压输入-需要用负载电阻将输出电流变换为电压,负载电阻的选择应考虑它的压降不能过大，否则将影响阳极的接收特性，使管子偏离线性工作范围（一般限制在几伏以内）,(2)运算放大器输出,输出的电压,1）使用前应了解器件的特性-灵敏度高、惰性小、供电电压高、抗震性差（防震和高压下的安全性）,3）工作电流不宜过大-烧毁阴极面，倍增极二次电子发射系数下降，增益降低，光电线性变差，缩短寿命,2）使用时不可用强光照射-光照过强，光电特性的线性会变差，而且容易使光电阴极疲劳，缩短寿命（一般工作电流控制在0.1几十A以内）,4）测量交变光时，负载电阻不宜很大-负载电阻大，时间常数变大，频带变窄，影响动态特性（负载电阻和管子的等效电容一起构成电路的时间常数）,五、光电倍增管的使用要点,已知垂直射到地球表面每单位面积的日光功率（称太阳常数）等于1.37103W/m2，地球与太阳的平均距离为1.5108km，太阳的半径为6.76105 km。求太阳辐射的总功率 解：根据距离平方反比定律 太阳的辐射强度为得到太阳的总功率为,已知垂直射到地球表面每单位面积的日光功率（称太阳常数）等于1.37103W/m2，地球与太阳的平均距离为1.5108km，太阳的半径为6.76105 km。求太阳辐射的总功率 解：根据距离平方反比定律 太阳的辐射强度为得到太阳的总功率为,某种光电发射材料的光电发射长波限为680nm,试求该光电发射材料的光电发射阈值解 由光电发射长波限为则即该光电发射材料的光电发射域值为1.82电子伏特。,某光电管伏安特性及负载线如图所示,求:(1)工作动态范围(2)电流灵敏度Ri(3)负载电阻RL(4)u”和u(5)入射光功率为2uW时的输出电压(6)入射光功率为3uW、4uW时的输出电压(7)入射光功率从4uW降为1uW时,输出电压的变化U(8)饱和电阻R,解(1)工作动态范围03uW(2)Ri=510-6A/110-6W=5A/W(3)RL=50/2510-6=2000K(4)(50-u)/1510-6=2106,u=20V 15/u=5/u”,u”=20/36.67V(5)=2uW时,uR=1010-62106=20V(6)=3uW时,uR=1510-62106=30V=4uW时,uR=1610-62106=32V(7)=1uW时,uR=52=10V u=32-10=22V(8)R=u/i=20/1510-6=1333K,如PMT阳极特性为=410-5lm时,IA=200uA,拐点电压Vm=60V,如果为入射的最大光通量.阳极电压最大为90V,要求在线性区内的负载电阻获得最大的输出电压,求(1)直流负载RL(2)入射光通量由2.510-5lm缓变为410-5lm时,输出电压的变化量解(1)RL=(Va-Vm)/IA=(90-60)/20010-6=150K(2)SA=IA/=20010-6/410-5=5A/lm U=SARL=5(410-5-2.510-5)150103=11.25V,设入射到PMT上的最大光通量为v=1210-6lm，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CsSb材料，倍增极也为CsSb材料，负载电阻RL=82K,SK=40A/lm，若要求入射光通量在0.610-6lm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？,设计工作电路:G 极间电压UDD,电源电压UCC,流过分压电阻的电流IR 分压电阻Ri,根据题目对输出电压幅度的要求和负载电阻RL=82K,阳极电流应不小于Iamin，因此,解(1)首先结合电流增益G计算供电电源的电压,Iamin=UO/RL=0.2V/82 k=2.439A,入射光通量为0.610-6lm时的阴极电流为 IK=SKv=400.610-6=2410-6A,此时，PMT的增益G应为,CsSb倍增极材料的增益与极间电压UDD有,总电源电压Ucc为,Ucc=（N+1.5）UDD=741V,N=8，每一级的增益=4.227,(2)计算偏置电路电阻链的阻值偏置电路采用阴极接负高压的供电电路，设流过电阻链的电流为IR，流过阳极负载电阻RL的最大电流为Iam=GSKvm=1.02105401210-6=48.96A取IR10 Iam，则 IR=500A因此，电阻链的阻值Ri=UDD/IR=156k 取Ri=120 k，R1=1.5Ri=180 k。,(3)输出信号电压的稳定度最高为,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,用光电倍增管接收光脉冲,持续时间为200ns,如果要求放大倍数G的稳定度为1%,则要求(1)电源电压的稳定度至少为多少?(2)光电倍增管最后三级并联电容值为多少?设打拿极材料为银-镁合金,级数n=11,级间电压UDD=100V,最大阳极电流Iamax=150uA。解(1),(2)光电倍增管最后三级并联电容值,光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5A/lm，阳极灵敏度为50A/lm，要求长期使用时阳极允许电流限制在2A以内。求（1）阴极面上允许的最大光通量。（2）当阳极电阻为75K时，最大的输出电压。（3）若已知该光电倍增管为12级的CsSb倍增极，其倍增系数,计算它的供电电压。（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。解(1),(2)最大的输出电压(3),CsSb倍增极材料的增益与极间电压UDD有,N=12，每一级的增益=4.642,总电源电压Ucc为,Ucc=（N+1.5）UDD=1201.5V,(4)输出信号电压的稳定度最高为,若PMT的SA=10A/lm,SK=20uA/lm,PMT为十一级,问各倍增极的平均倍增系数为多少?,3-5 微通道板光电倍增管,加有微通道板的光电倍增管具有比普通光电倍增管更高的灵敏度,能够替代普通的光电倍增管用于需要高性能的场合。而且还具有对二维空间电子流图像进行放大的能力。,一微通道板的结构及工作原理,微通道板型光电倍增管是将上百万的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成为薄形盘片状而形成的。这种结构的每个通道都是一个独立的电子倍增器。比任何分离电极的倍增极结构都具有超快的时间响应，并且当采用多阳极输出结构时，这种结构的光电倍增管具有极强的二维探测能力。,单根倍增微通道实际上是一块通道内壁具有良好的二次电子发射性能和一定导电性能的微细空心通道玻璃纤维面板。直径:1540um,长度:500um,长度与孔径之比的典型值为50。电子在细长的管内径中经多次曲折可获得 的增益。,电子在细长的管内径中经多次曲折可获得 的增益。,通道内的二次电子发射,将接受的微弱或几乎不可见的输入辐射图像转换成电子图像使电子图像获得能量或数量增强,并聚焦成像将增强的电子图像转换为可见的光学图像,二微通道板的增益与自饱和,若微通道管的长度为L,内径为d,工作中施加于管道两端的电压为Vt。二次电子的初速为vos,其相应的加速电压为Vos,则:,二次电子到达对面管壁所需的时间,二次电子在相邻两次碰撞间沿管轴方向移动的距离,管壁材料的平均倍增系数=KVC,相邻两次碰撞间二次电子所获得的加速电位,令通道的相对孔径(长度与内径之比)=L/d,电子发生碰撞的次数为,电流增益,电流增益与通道板的相对口径,工作电压Vt,及接收效率(上通道开口面积与总面积之比)有关。,对应任一工作电压，微通道板的电流增益随相对口径连续变化，且只有一个峰值。峰值随工作电压的增大而增大。在峰值附近,增益曲线比较平坦,表明在这个范围内相对口径的变化对电流增益的影响较小。微通道管直径d-(工作电压)相对口径-确定微通道管长度L(微通道板厚度),2、微通道板的自饱和,微通道板的自饱和特性是指当输入的电流密度增至一定程度后,其输出电流将不再增加。饱和效应可以自行恢复且只限于每个通道而不影响临近通道这种自饱和特性使像管具有防强光特性,保护了荧光屏不致于灼伤损坏。观察者在观察光强度较大的图像时,不会感到刺眼和晃动。,三、微通道板的噪声,噪声因子,P为各级二次电子再次倍增而没有直接射出通道的平均概率,P0为入射电子首次碰撞的概率。,降低噪声因子,提高输出信噪比 增大,3-6 光电倍增管的应用,一、光谱学-利用光吸收原理,1.紫外/可见/近红外分光光度计,光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分能量，称为吸收。利用吸收进行定量分析。为确定样品物质的量，采用连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度，即可得到被测物质吸收程度，计算出物质的量。,2.原子吸收分光光度计,广泛地应用于微量金属元素的分析。对应于分析的各种元素，需要专用的元素灯，照射燃烧并雾化分离成原子状态到被测物质上，用光电倍增管检测光被吸收的强度，并与预先得到的标准样品比较。,二、利用发光原理,.发光分光光度计 样品接受外部照射光的能量会产生发光，利用单色器将这种光的特征光谱线显示出来，用光电倍增管探测出特征光谱线是否存在及其强度。这种方法可以迅速地定性或定量地检查出样品中的元素。,.荧光发光分光光度计 荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物学原理。物质受到光照射，发射长波的发光，这种光称为荧光。用光电倍增管检测荧光的强度及光谱特性，可以定性或定量地分析样品成份。,3.拉曼发光分光光度计 用单色光照射物质后被散乱，这种散乱光中，只有物质特有量的不同波长光混合在里面。这种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物质进行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要复杂的光路系统，并且采用单光子计数法。,三、质量光谱学与固体表面分析,固体表面分析 固体表面的成分和结构，可以用极细的电子、离子、光或X射线的束流，入射到物质表面，对表面发出的电子、离子、X射线等进行测定来分析。这种技术在半导体工业领域被用于半导体的检查中，如缺陷、表面分析、吸附等。电子、离子、X射线一般采用电子倍增器或MCP来测定。,四、生物技术,细胞分类 细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后，用激光照射，细胞的荧光、散乱光用光电倍增管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置。,荧光计 细胞分类的最终目的是分离细胞，为此，有一种用于对细胞、化学物质进行解析的装置，它称为荧光计。它对细胞、染色体发出的荧光、散乱光的荧光光谱、量子效率、偏光、寿命等进行测定。,五、医疗应用,正电子CT 放射线同位素（C11、O15、N18、F18等）标识的试剂投入病人体内，发射出的正电子同体内结合时，放出线，用光电倍增管进行计数，用计算机作成体内正电子同位素分布的断层画面，这种装置称为正电子CT。,临床检查,通过对血液、尿液中微量的胰岛素、激素、残留药物及病毒等对于抗原、抗体的作用特性，进行临床身体检查、诊断治疗效果等。光电倍增管对被同位素、酶、荧光、化学发光、生物发光物质等标识的抗原体的量进行化学测定。,六、摄影印刷,彩色扫描 彩色图片或照片进行印刷时，需要将其颜色进行分色扫描。分色是用光电倍增管和滤光片，把彩色分解成三原色（红、绿、兰）和黑色，作为图象数据读出。,