第四章光电发射器件课件.ppt

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1、第4章 光电发射器件,第4章 光电发射器件,光电发射器件（真空光电器件）是基于外光电效应的器件。,外光电效应（光电发射效应）：当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子，这种现象称为光电发射效应或外光电效应。,光电发射效应中光电能量转换的基本关系为：,光电发射器件（真空光电器件）是基于外光电效应的器件。,真空光电器件,光电管被半导体器件取代,光电倍增管,特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面应用很多。,缺点：结构复杂，工作电压高，体积大,真空光电器件光电管被半导体器件取代光电倍增管特点：灵敏度高,本章内容,4.1 光电阴

2、极,4.2 光电管和光电倍增管结构原理,4.3 光电倍增管的主要特性参数,4.4 光电倍增管的工作电路,本章内容4.1 光电阴极4.2 光电管和光电倍增管结构原理4,光电发射阴极的主要作用是吸收光子能量发射光电子，是我们光电效应发生的区域。,常将半导体发射材料涂于玻壳内壁，构成光电阴极；而阳极是金属环或者金属网，在其对面。,4.1 光电发射阴极,光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能！,光电发射阴极的主要作用是吸收光子能量发射光电子，是我们光电效,（1）光谱灵敏度 在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

3、度Se,。即 其量纲为A/W或A/W。,光电发射阴极的灵敏度包括光谱灵敏度与积分灵敏度两类。,1、灵敏度,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,（1）光谱灵敏度 光电发射阴极的灵敏度包括光谱灵,在某波长范围内的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。,（2）积分灵敏度,1、灵敏度,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,量纲为mA/W或A/W。,在某波长范围内的辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电,（2）积分灵敏度,1、灵敏度,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,在可见光波长范围内的“白光”作用于

4、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,量纲为mA/lm。,（2）积分灵敏度 1、灵敏度一、光电发射阴极的主要特性参,2、量子效率,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,一定波长的光子入射到光电阴极时，该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Np,之比为光电阴极的量子效率（或称量子产额）。,量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。,2、量子效率一、光电发射阴极的主要特性参数4.1 光电发,3、光谱响应,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,真空光电器件中长波灵敏度极限，主要由光电阴极材料的长波限决定：

5、,光电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曲线。,3、光谱响应一、光电发射阴极的主要特性参数4.1 光电发,4、暗电流,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,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10-1610-18A/cm-2的电流密度。,4、暗电流一、光电发射阴极的主要特性参数4.1 光电发射,1、单碱或多碱锑化物光电阴极,二、光电发射阴极材料,4.1 光电发射阴极,金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，形成具

6、有稳定光电发射的发射物LiSb、KSb、RbSb、CsSb，其中，以CsSb阴极的灵敏度最高，是最具有实用价值的光电发射材料。,（1）单碱锑化物,锑化铯阴极在可见光的短波长和近紫外区（0.30.45m）响应率最高，长波限在0.65m附近；光照灵敏度60A/lx，量子效率30%，暗电流10-16A/cm2,1、单碱或多碱锑化物光电阴极二、光电发射阴极材料4.1,1、单碱或多碱锑化物光电阴极,二、光电发射阴极材料,4.1 光电发射阴极,当金属锑与几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应度，其中有双碱、三碱和四碱等，统称多碱锑化物光电阴极。,（2）多碱锑化物,Na2KSb：光谱响应与CsSb相近；峰值

7、波长0.4m；量子效率25%；光照灵敏度50A/lm。,特点是耐高温，工作温度可达150度，可用于石油勘探等场合；热电子发射小，室温下约为10-1710-18A/cm2，可用于光子计数。,1、单碱或多碱锑化物光电阴极二、光电发射阴极材料4.1,1、单碱或多碱锑化物光电阴极,二、光电发射阴极材料,4.1 光电发射阴极,（2）多碱锑化物,Na2KSb（Cs）：锑钾钠铯阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种。它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量子效率，典型光照灵敏度为150A/lm；长波限850nm；热电子发射10-1410-16A/cm2，工作稳定性好。,1、单碱或多碱锑化物光电阴极二、光电发射阴极

8、材料4.1,2、银氧铯（Ag-O-Cs）阴极,二、光电发射阴极材料,4.1 光电发射阴极,1934年研制的第一支红外变象管就采用这种阴极，是最早出现的实用光电阴极。它的特点是对近红外辐射灵敏。,银氧铯光电阴极的相对光谱响应曲线有两个峰值，一个在350 nm处，一个在800nm处。光谱范围在300nm到1200nm之间。量子效率不高，峰值处约0.5%1%左右。银氧铯使用温度可达100，但暗电流较大，且随温度变化较快。,2、银氧铯（Ag-O-Cs）阴极二、光电发射阴极材料4.1,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。,一、真空光电管,4.2 真空光电管与光电

9、倍增管的工作原理,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,一、真空光电管,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、充气型光电管的工作原理,有时为了使某种性能提高，在管壳内也充入某些低气压惰性气体形成充气型的光电管。,这类管子体积较大，工作电压高达百伏到数百伏，玻璃外壳容易破碎，它的一般应用目前已基本被半导体光电器件代替。,一、真空光电管4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理 2,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,光电倍增管是一种建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转换成光

10、电子，并获得倍增的重要的真空光电发射器件。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,1、光电倍增管的工作原理,光电倍增管主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,第四章光电发射器件课件,第四章光电发射器件课件,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（1）入射窗结构,光电倍增管按进光的方式分通

11、常有侧窗和端窗两种形式。侧窗型光电倍增管是通过管壳的侧面接收入射光，而端窗式光电倍增管是通过管壳的端面接收入射光。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（1）入射窗结构,侧窗式光电倍增管一般使用反射式光电阴极，而且大多数采用鼠笼式倍增极结构。,侧窗式光电倍增管,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增

12、管的结构,（1）入射窗结构,端窗式光电倍增管通常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。一般半透明光电阴极的灵敏度、均匀性比反射式阴极好，而且阴极面可以做成各种大小。,端窗式光电倍增管,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（1）入射窗结构,1）硼硅玻璃：透射光谱范围从300nm到红外，不适合作紫外辐射窗口材料，能较好地应用于闪烁计数；2）透紫外玻璃：紫外波段的截止波长约185nm；3）熔融石英：透紫外波长可达160nm，只能做

13、管子的头；4）蓝宝石；5）氟化镁。,常用窗口材料,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（2）电子光学系统,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（2）电子光学系统,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。,电子光学系统的作用：（1）

14、使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增极上，而将其他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，保证光电倍增管的快速响应。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（2）电子光学系统,电子收集率0达到85%以上；渡越时间的离散性t是指阴极面上各点所发射的光电子达到第一倍增极上各处时产生的时间差，约为10ns。,光电阴极,金属导电层,带孔膜片,第一倍增极,二、光电倍增管（PMT

15、，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,二次电子发射：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，这种现象称为二次电子发射。,倍增极材料,通常把二次发射的电子数N2与入射的一次电子数N1的比值定义为倍增极材料的发射系数,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,二次电子

16、发射步骤：材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些被激发电子称为内二次电子；内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面运动，在运动过程中因散射而损失能量；如果达到界面的内二次电子仍有足以克服表面势垒的能量，即逸出表面成为二次电子。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,二次电子发射与光电发射的区别：二次发射电子的过程由高能电子的激发材料产生电子发射，而不是光子激发所致。一般光电发射性能好的材料也具有二次电子发射功能

17、。,倍增极材料,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,常用的倍增极材料有：锑化铯：在较低的电压下产生较高的发射系数；氧化银镁合金（AgMgOCs）：可在较强的电流和较高的温度（150度）下工作,倍增极材料,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,光电倍增管中

18、倍增极一般由几级到十五级组成，根据电子轨迹的形式可分为两类：聚焦型和非聚焦型。,倍增极结构,凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚在下一倍增极上，在两个倍增极之间可能发生电子束交叉的结构称为聚焦型；非聚焦型形成的电场只能使电子加速，电子轨迹是平行的。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管的倍增极分为六种形式：鼠笼式、瓦片静电聚焦型、盒栅式、百叶窗式、近贴栅式和微通道板式。,倍增极结构,

19、二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,倍增极结构,鼠笼式,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,瓦片静电聚焦型,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电

20、管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,盒栅式,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,百叶窗式,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（4）阳极,作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输出电流。对于阳极的结构要求具有较高的电子收集率，

21、能承受较大的电流密度，阳极的输出电容要小，目前阳极广泛采用栅网状结构。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tub,1、灵敏度,4.3 光电倍增管的基本特性,(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,称为阴极的光谱灵敏度，记为,在某波长范围内的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之比为阴极的积分灵敏度Se。,白光灵敏度或光照灵敏度,1、灵敏度4.3 光电倍增管的基本特性(1)阴极灵敏度,1、灵敏度,4.3 光电倍增管的基本特性,(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

22、射为某一波段范围，则定义为阳极积分灵敏度,阳极光照灵敏度,1、灵敏度4.3 光电倍增管的基本特性(2)阳极灵敏度,2、电流放大倍数（增益）,4.3 光电倍增管的基本特性,光电倍增管阳极电流与阴极电流的比值，称为光电倍增管的电流放大倍数或称增益。,光电倍增管倍增极的二次电子发射系数与一次电子的加速电压UDD有关，当电压在几十至几百伏时，可表示为,C是常数，k值与倍增极的材料和结构有关。,2、电流放大倍数（增益）4.3 光电倍增管的基本特性,2、电流放大倍数（增益）,4.3 光电倍增管的基本特性,例如，对于锑化铯倍增极,如果光电倍增管有N级倍增极，那么光电阴极发射的光电流经过各级倍增极倍增后，从阳

23、极输出的电流为,对于氧化银镁合金倍增极,为电子光学系统的收集率；和 分别是1，2n级倍增极的二次电子发射系数和电子收集率。,2、电流放大倍数（增益）4.3 光电倍增管的基本特性,2、电流放大倍数（增益）,4.3 光电倍增管的基本特性,假定各倍增极的电子反射系数和电子收集率相等，则电流放大倍数为：,对于锑化铯倍增极材料,对银镁合金材料,2、电流放大倍数（增益）4.3 光电倍增管的基本特性,3、暗电流,4.3 光电倍增管的基本特性,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所有光电探测器件中暗电流最低的器件。,(1)热电子发射,由于光电阴极

24、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。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、暗电流4.3 光电倍增管的基本特性 光电倍增管,3、暗电流,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)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。,光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，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。降低工作电压会减小残余气体放电产生的

25、暗电流。,(3)残余气体放电,3、暗电流4.3 光电倍增管的基本特性(2)欧姆漏电,3、暗电流,4.3 光电倍增管的基本特性,(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。,当部分电子偏离正常轨迹打到管壁上时会出现玻璃壳放电或玻璃荧光现象，引起暗电流脉冲。为了消除这种形式的暗电流脉冲，可使管子工作在高阳极电压和阴极接地的供电方式，在玻壳外涂敷一层导电层和阴极相连。,(5)玻璃壳放电和玻璃荧光,3、暗电流4.3 光电倍增管的基本特性(4)场致发射,4、噪声,4.3 光电倍增管的基本特性,光电倍增管噪声主要

26、由散粒噪声和负载电阻的热噪声组成。,(1)负载电阻的热噪声:主要来自负载电阻或运算放大器的反馈电阻和运算放大器的输入阻抗。,4、噪声4.3 光电倍增管的基本特性 光电倍增管噪,4、噪声,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)散粒噪声: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。,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、噪声4.3 光电倍增管的基本特性(2)散粒噪声:由阴,4、噪声,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)散粒噪声:,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,设各倍增极的发射系数都等于，则

27、倍增管末倍增极输出的散粒噪声电流为,4、噪声4.3 光电倍增管的基本特性(2)散粒噪声:第2,4、噪声,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)散粒噪声:,通常在36之间，接近于1，则光电倍增管输出的散粒噪声电流简化为,总噪声电流为,4、噪声4.3 光电倍增管的基本特性(2)散粒噪声:,4、噪声,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)散粒噪声:,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,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满足下式，计算电路的噪声时就可以只考虑散粒噪声。,4、噪声4.3 光电倍增管的基本特性(

28、2)散粒噪声:,5、伏安特性,4.3 光电倍增管的基本特性,(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,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。,5、伏安特性4.3 光电倍增管的基本特性(1)阴极伏安特,5、伏安特性,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)阳极伏安特性,当入射到光电倍增管上的光通量一定时，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。,当阳极电压

29、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。,5、伏安特性4.3 光电倍增管的基本特性(2)阳极伏安特,6、线性,4.3 光电倍增管的基本特性,(1)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，(2)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。,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。,6、线性4.3 光电倍增管的基本

30、特性(1)内因,7、疲劳与衰老,4.3 光电倍增管的基本特性,光电倍增管在正常使用的情况下，随着工作时间的积累，灵敏度也会逐渐下降，且不能恢复，这中现象称为衰老。,在较强辐射作用下倍增管灵敏度下降的现象称为疲劳。这是暂时的现象，待管子避光存放一段时间后，灵敏度将会部分或全部恢复过来。,7、疲劳与衰老4.3 光电倍增管的基本特性 光电倍,1、电阻分压式供电电路,4.4 光电倍增管的供电和信号输出电路,1、电阻分压式供电电路4.4 光电倍增管的供电和信号输出电,1、电阻分压式供电电路,4.4 光电倍增管的供电和信号输出电路,（1)供电电压的极性,1、电阻分压式供电电路4.4 光电倍增管的供电和信号

31、输出电,1、电阻分压式供电电路,4.4 光电倍增管的供电和信号输出电路,（2)线性供电方式,1、电阻分压式供电电路4.4 光电倍增管的供电和信号输出电,1、电阻分压式供电电路,4.4 光电倍增管的供电和信号输出电路,（2)线性供电方式,分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但当流过分压电阻的电流IR远远大于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,1、电阻分压式供电电路4.4 光电倍增管的供电和信号输出电,1、电阻分压式供电电路,4.4 光电倍增管的供电和信号输出电路,（2)线性供电方式,选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R,R=U

32、bb/IR,各分压电阻Ri为,而R1应为,R1=1.5 Ri,1、电阻分压式供电电路4.4 光电倍增管的供电和信号输出电,1、电阻分压式供电电路,4.4 光电倍增管的供电和信号输出电路,（3)供电电压,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。,1、电阻分压式供电电路4.4 光电倍增管的供电和信号输出电,1、电阻分压式供电电路,4.4 光电倍增管的供电和信号输出电路,（4)末级并联电容,1、电阻分压式供电电路4.4 光电倍增管的供电和信号输出电,1、电阻分压式供电电路,4.4

33、 光电倍增管的供电和信号输出电路,（4)末级并联电容,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。,1、电阻分压式供电电路4.4 光电倍增管的供电和信号输出电,1、电阻分压式供电电路,4.4 光电倍增管的供电和信号输出电路,（5)供电电压的稳定度,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,对银镁合金倍增极,由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkvRL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关,1、电阻分压式供电电路4.4 光电倍增管的供电和信号输出电,例4-1 设入射到PMT上的最大

34、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=S

35、Kv=4010-60.610-6=2410-6A,例4-1 设入射到PMT上的最大光通量为v=1210-,此时，PMT的增益G应为,总电源电压Ubb为,Ubb=（N+1.5）UDD=741V,此时，PMT的增益G应为 总电源电压Ubb为 Ubb=（N+,(2)计算偏置电路电阻链的阻值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)计算偏置输出信号电压的稳定度最高为,(

36、2)计算偏置电路电阻链的阻值(3)计算偏置输出信号电,一、计算题1、GDB20的阴极光照灵敏度为60A/lm，阴极面的有效直径为15mm，倍增级数为11级，阳极光照灵敏度为100A/lm，长期使用时阳极电流应限制在4A以下。试问:(1)长期使用时，光电倍增管阴极面的极限入射光通量为多少？(2)设阳极电阻为75K，问输出电压由背景光为0.1mV变化到0.25mV情况下入射光的照度变化为多少lx？(3)已知GDB20的倍增极为Cs3Sb材料，倍增系数为=0.2(UDD)0.7试计算它的供电电源电压应为多少？它的分压电阻链的电阻值应为多少？(4)当要求输出信号的稳定度为0.1%时，高压电源电压的稳定

37、度应为多少？（共20分）,一、计算题1、GDB20的阴极光照灵敏度为60A/lm，,2、现有GDB-423型光电倍增管的光电阴极面积为2cm2，阴极灵敏度25A/lm，倍增系统的放大倍数为105，阳极额定电流为200A，求允许的最大光照。（5分）3、（1）画出具有11级倍增极，负高压1200V供电，均匀分压的光电倍增管的工作原理图，分别写出各部分的名称及标出Ik、IR、Ia的方向。（2）若该倍增管的阴极灵敏度为20A/lm，阴极入射光的照度为0.1lx，阴极有效面积为2cm2，各倍增极二次电子发射系数均为4，光电子收集率为0.98，各倍增极的电子收集率为0.95，试计算倍增系统的放大倍数和阳极

38、电流。（共15分）4、P96 4.14（10分）5、P96 4.16（10分）,2、现有GDB-423型光电倍增管的光电阴极面积为2cm2，,二、简答题（每个8分）1、光电发射和二次电子发射两者有哪些不同？简述光电倍增光的工作原理。2、光电倍增管的结构，及各部分作用。3、分析电阻分压器的电压再分配效应和负载电阻的反馈效应，怎样才能减少这些效应的影响。4、光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何减少暗电流？5、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？,二、简答题（每个8分）1、光电发射和二次电子发射两者有哪些,4.5 光电倍增管的典型应用,一、光谱探测领域的应用,1、发射光谱,发

39、射光谱分析仪的基本原理如图所示,4.5 光电倍增管的典型应用 一、光谱探测领域的应用 1、,4.5 光电倍增管的典型应用,一、光谱探测领域的应用,1、吸收光谱,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 光电倍增管的典型应用 一、光谱探测领域的应用 1、,4.5 光电倍增管的典型应用,二、时间分辨荧光免疫分析中的应用,1983年，由Pettersson 和Eskola等提出了用时间分辨荧光免疫分析（time-resolved fluoroimmunoassay，TRFIA）法测定人绒毛膜促性腺

40、激素和胰磷脂酶在临床医学研究中的应用，在10多年中，获得迅速发展。成为最有发展前途的一种全新的非同位素免疫分析技术。,4.5 光电倍增管的典型应用 二、时间分辨荧光免疫分析中的,4.5 光电倍增管的典型应用,二、时间分辨荧光免疫分析中的应用,1、时间分辨荧光免疫分析法TRFIA的原理,时间分辨荧光免疫分析法是用镧系元素为标记物，标记抗原或抗体，用时间分辨技术测量荧光，同时利用波长和时间两种分辨，极其有效地排除了非特异荧光的干扰，大大地提高了分析灵敏度。,4.5 光电倍增管的典型应用 二、时间分辨荧光免疫分析中的,图4-12所示为镧系元素螯合物与典型配位体-NTA的吸收光谱与发光光谱图。图中曲线

41、1为镧系元素螯合物与配位体-NTA的吸收光谱。由曲线1可以看出螯合物与配位体-NTA对320360 nm的紫外光具有很高的吸收，因此，常用含有320360 nm光的脉冲氙灯或氮激光器为激发光源使装载配位体的螯合物激发荧光。,Eu3+-NTA螯合物在激发光源的作用下将发出如图中曲线2与3所示的荧光光谱。曲线3光谱载荷着配位体-NTA的信息。,图4-12为双坐标曲线图，其中re,r为螯合物的相对吸收系数，Iv为螯合物激发出的荧光光强。,图4-12所示为镧系元素螯合物与典型配位体-NTA,图4-13所示为载荷配位体-NTA的螯合物荧光时间特性。图中，激发光刚刚结束的时刻为初始时刻t=0，在最初的很短时间内，短寿命荧光很快结束，长寿命荧光在400ns时间内也会消失或降低到很低的程度，而有用的荧光出现在400ns800ns时间段内（图中斜线所标注的时间段）。,在800ns1000ns时间内有用的荧光将衰减到零。1000ns后开始新的循环。,图4-13所示为载荷配位体-NTA的螯合物荧光时间,2.TRFIA的测量原理,2.TRFIA的测量原理,