第四章光电检测中的光电探测器光电子发射器件3课件.ppt

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1、光电检测技术,Ch4 光电检测中常用的光电探测器 光电子发射器件,吕勇lvyong222yahoo,光电检测技术Ch4 光电检测中常用的光电探测器吕勇,光电子发射探测器,光电子发射探测器,光电发射效应；光电子发射材料；光电管；光电倍增管；微通道板型光电倍增管；像管。,光电发射效应；,光电发射探测器外光电效应；在足够能量的光照下，探测器光敏面材料内的电子就会逸出表面进入外界空间，在空间电场的作用下形成电流。,实验装置阴极C、阳极P，密封在真空管内。,两极之间加有可变电压，用来加速或阻挡释放出来的电子。光通过石英小窗照射在电极C上，在光的作用下，电子从电极C逸出，并受电场加速形成光电流。实验规律：

2、（1）饱和电流；（2）阈值频率。,光电发射探测器外光电效应；实验装置两极之间加有可变电压，用,光电效应的两个实验规律,1饱和电流（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I k（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光通量成正比：Ik=Sk I k为阴极光电流，为入射光通量，S k为阴极对入射光的灵敏度。,光电效应的两个实验规律1饱和电流（斯托列托夫定律）IV-V,2遏止电位（爱因斯坦定律）,实验发现，光电子的最大初始动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：Emax=(1/2)m02max=eVg=hvhv0=hv W Emax为光电子的最大初动能，max为

3、相应的电子最大初速度，m为电子质量，h为普朗克常数，W为金属材料的电子逸出功，即电子从材料表面逸出时所需的最低能量，单位为eV，是与材料性质有关的常数，也称为功函数。,2遏止电位（爱因斯坦定律）实验发现，光电子,3 截止频率和红限波长,红限表示长波或低频。,频率越高，Vg越大;频率与Vg成线性关系；频率低于某值时，Vg减小到0。,3 截止频率和红限波长vVgv0红限表示长波或低频。频率越,4 驰豫时间,当入射光束照射在光电阴极上时,无论光强怎样微弱,几乎在开始照射的同时就产生了光电子,驰豫时间最多不超过1纳秒。光的照射和光电子的释放几乎是同时的，在测量的精度范围内观察不出两者之间存在的滞后现象

4、。,4 驰豫时间当入射光束照射在光电阴极上时,无论光强怎样微,光电发射的基本过程,(1)对光子的吸收光射入物体后，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（真空中自由电荷的最小能量）的激发态；(2)光电子向表面的运动受激电子从受激地点出发向表面运动，在此过程中因与其它电子或晶格发生碰撞而损失部分能量；(3)克服表面势垒逸出材料表面达到表面的电子，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(1)对光子的吸收光射入物体后，物体,好的光电发射材料应该具备的条件,对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发；光电子由体内向表面运动

5、过程中能量损失小，使逸出深度大；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；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。,好的光电发射材料应该具备的条件 对光的吸收系数大，以便体,金属的光电发射,由于金属反射掉大部分入射的可见光（反射系数达90%以上），因此吸收效率很低。而且光电子在金属中与大量的自由电子碰撞，在运动中会散射损失很多能量。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，即金属中光电子的逸出深度很小，只有几个nm。而且金属的逸出功大多大于3 eV，对能量小于3 eV（410 nm）的可见光来说，很难产生光电发射。所

6、以金属材料的光电子发射效率都很低，并且大部分金属材料的光谱响应都在紫外或者远紫外区，只有铯（Cs，2eV逸出功）对可见光最灵敏，故可用于光电阴极。但纯金属铯的量子效率很低，小于0.1%，因为在光电发射前两个阶段能量损耗太大。,金属的光电发射 由于金属反射掉大部分入射的可,受激电子向真空界面迁移的几率随光吸收因子及有效逸出深度的增加而提高。对于半导体材料，其光吸收系数取决于其能带结构：通常当入射的光能量大于禁带宽度时，其本征吸收系数很高，因此有效的光吸收深度约为10-610-5cm；所以大部分受激电子产生在10100nm距离内。这个距离就是半导体逸出深度。,半导体的光电发射,受激电子向真空界面迁

7、移的几率随光吸收因子及有效逸出深度的增加,电子逸出表面过程的分析光电逸出功0（不同于热电子发射逸出功）：T=0K时，电子占据的最高能级是价带顶，它的光电逸出功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。其数值等于禁带宽度Eg与电子亲和势EA之和。红限：由光电逸出功定义，可以确定本征半导体在绝对零度时的长波阈（红限）为0。,电子逸出表面过程的分析,表面态的基本知识,表面态：半导体表面吸附着其它元素的分子、原子或离子，都可以形成束缚能级，构成表面态；表面态形成的能带（形成异质结）会影响到半导体内部能带在靠近表面处发生弯曲。改变光电逸出功。P型半导体N型

8、表面态：表面态中的电子P型半导体的受主能级上，以建立费米能级的平衡。在外表层形成正的空间电荷区。附加电场使表面电位下降，表面层的能带向下弯曲。有效地减小了导带底与真空能级之间的能量差。该能差为有效电子亲和势。N型半导体P型表面态,表面态的基本知识表面态：半导体表面吸附着其它元素的分子、原子,描述光电阴极性能的常用参数：（1）光谱灵敏度（响应度）（A/W）；（2）量子效率；（3）光谱响应特性曲线；（4）光电灵敏度（积分灵敏度）；（A/lm）；（5）暗电流；（A/cm2）,常用光电阴极光谱特性曲线,光电阴极,描述光电阴极性能的常用参数：常用光电阴极光谱特性曲线 光电阴,S 序号光阴极的主要性能,实

9、用的光阴极种类很多。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。,S 序号光阴极的主要性能光谱响应编号光电发 射材料窗材料,1银氧铯(Ag-O-Cs)光阴极（S1）,图5-19 银氧铯光阴极固溶胶理论的组成结构,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。光谱响应范围：3001200nm；积分灵敏度：70A/lm；两个峰值：短波峰介于300400nm之间，长波峰位于800nm附近；量子效率：515；暗 电 流：910-13A/cm2(310-1210-15 A/cm2)。机理：（1）：半导体理论模型：能带

10、局部能级（Cs2O）（2）：固溶胶理论模型：Ag颗粒 Cs2OAg胶粒等。（吴全德院士）,1银氧铯(Ag-O-Cs)光阴极（S1）图5-19,1936年研制出的锑铯（Cs3Sb）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。光谱响应范围：200650nm；积分灵敏度：110A/lm；峰值响应：440nm附近量子效率（p）：20左右；暗 电 流：310-15A/cm2。机理：P型半导体（Cs3Sb

11、）表面吸附（Cs）Eg1.6eV；EAff0.4eV,2锑铯(Sb-Cs)光阴极（S11）,图5-20 锑铯光电阴极结构1-玻璃衬底；2-Cs缺陷或锑原子；3-表面吸附的Cs原子,1936年研制出的锑铯（Cs3Sb）光阴极其光,3.多碱光阴极（S-20 S-25）,1955年萨默发现：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。其中有双碱的(如Sb-K-Cs、Sb-Rb-Cs)，三碱的(如Sb-K-Na-Cs)和四碱的(如Sb-K-Na-Rb-Cs)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，其峰值量子效率接近30。光谱响应范围：兰光900nm；积分灵敏度：

12、400800A/lm；峰值响应：420nm附近量子效率：3040；暗 电 流：310-16A/cm2。机理：P型半导体（K2CsSbNa2KSb）Cs3Sb表面吸附（Cs）Eg1.0eV；EAff0.55eV,图5-22 多碱光电阴极表面结构(a)无表面Cs层；(b)有表面Cs层,3.多碱光阴极（S-20 S-25）19,4.负电子亲和势(NEA)光阴极,负电子亲和势光阴极理论于1963年提出，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。光谱响应范围：兰光1200nm；积分灵

13、敏度：14504000A/lm；峰值响应：550nm附近量子效率：40（1060nm处可达9）；暗 电 流：10-16 10-17 A/cm2。机理：（1）异质结理论；（2）偶极层理论。GaAs的 Eg1.4eV；EAff3.9eV Cs2O的 Eg2.0eV；EAff0.45eV,图5-23 负电子亲和势光阴极制作工艺,4.负电子亲和势(NEA)光阴极 负电子亲和势光阴极理,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,NEA光电阴极的双偶极层模型,NEA光电阴极受激电子向表面迁移过程与正电子亲和势光阴极的过程有如下不同：一般正电子亲和势光阴极中只有过热电子

14、迁移到表面才能形成光电发射，其寿命只有10-14 10-15s。由于晶格散射，所能行进的距离只有10 20nm。而负电子亲和势光阴极中全部受激电子都可以参与光电发射。即使处于导带底部的电子，只要没有被复合之前扩散到表面，就可以逸出。其寿命可达10-8s数量级，所以它在寿命时间内扩散到表面的有效深度可达1m。因此NEA光阴极的量子效率有显著提高。它形成的光电发射的电子大部分处于导带底，其光谱响应可延伸到红外、光谱响应度均匀:正电子亲和势光电阴极的阈值波长为 而负电子亲和势光电阴极的阈值波长为 出射初能量分布比较集中。由于电子逸出深度大，光电子的出射角分布也比较集中，有利于降低电子光学系统的像差。

15、,NEA光电阴极受激电子向表面迁移过程与正电子亲和势光阴极的过,负电子亲合势光电阴极的特点,量子效率比常规发射体高得多；光谱响应延伸到近红外；光谱响应均匀；光电子能量集中。,负电子亲合势光电阴极的特点量子效率比常规发射体高得多；,负电子亲和势材料的光谱响应曲线,负电子亲和势材料的光谱响应曲线,典型光阴极能级示意图(a)金属；(b)理想半导体；(c)正电子亲和势；(d)负电子亲和势,典型光阴极能级示意图,5.紫外阴极对窗口材料的要求：普通玻璃不透过紫外辐射；为抑制背景辐射的干扰，实际应用中常要求紫外光阴极“日盲”，即对太阳辐射没有响应。,5.紫外阴极,光电管的原理和性能,光电管的原理和性能,光电

16、管是依据光电发射效应而工作的一种光电探测器。其结构原理和偏置电路如图所示，主要由光阴极K、阳极A和管壳组成。如果管壳内是真空状态，就称为真空光电管；如果管壳内充有增益气体，称为充气光电管。,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。,光电管是依据光电发射效应而工作的一种光电探测器。其结构原理,光电管的光电和伏安特性曲线(a)光电特性曲线；(b)伏安特性曲线,光电特性和伏安特性,光电管的光电和伏安特性曲线光电特性和伏安特性,光电管典型的光

17、电特性曲线如图所示。图中曲线1、2、3是真空光电管的情况，而曲线4、5、6则是充气光电管的情况。不论哪一种情况，电流与光照量在一定范围内呈直线关系。从光电管的偏置电路可知，光电管两端电压u和流过的电流i之间有关系 u=V i RL式中V是偏置电压(或电源电压)。u 和 i 之间的变化关系称为光电管的伏安特性。,光电管典型的光电特性曲线如图所示。图,频率特性及其它特性从光电管伏安特性的讨论中知道，从电路的观点看，光电管等效于一个高内阻的电流源，其信号等效电路如图所示，其中由于光电管内阻RdRL而略掉。从等效电路可以求出输出电压,光电管等效电路,频率特性及其它特性光电管等效电路,光电倍增管,光电倍

18、增管,1 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,光电倍增管,光电倍增管的原理结构如图所示。与光电管相比，除了阴极K，阳极A以及管壳外，还多了若干中间电极。这些中间电极称为倍增极。每相邻两个电极称为一级，Vi为分级电压，一般为百伏量级。,光电倍增管的原理结构如图所示。与光电管相比，除了阴极K，,2 光电倍增管的组成部分,光窗光电阴极电子光学系统电子倍增系统阳极,2 光电倍增管的组成部分光窗,各种倍增极的结构形式,a)百叶窗结构 b)盒栅结构 c)直瓦片（直线聚焦）结构d)圆瓦片（鼠笼）结构 e）MCP结构f)近贴栅网结构,e),f),各种倍增极的结构形式 a)百叶窗结构 e

19、)f),光电倍增管的结构特点,光电倍增管的结构特点倍增极结构形式特点 聚直瓦片式 极间电,各种倍增极的材料（不是光电阴极）,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，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。倍增极材料大致可分以下四类：1）含碱复杂面主要是银氧铯和锑铯两种，它们既是灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体；2）氧化物型，主要是氧化镁；3）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金；4）负电子亲合势发射体。这几类材料在低电压下有大的值，以便整管工作电压不致于过高；热发射小，以便整管的暗电流和噪声小；二次电子发射稳定

20、，以便温度较高或一次电流较大时，长时间工作不下降；而且容易制备。,各种倍增极的材料（不是光电阴极）倍增系统是由许,倍增极的特性某些金属、金属氧化物及半导体，如银、金、锑化铯、氧化铍以及GaP-Cs、GaAs-Cs2O负电子亲和势材料等，其表面受到高速电子轰击后能重新发射出更多的电子来，这种现象叫二次电子发射。光电倍增管就是利用各倍增极每一个入射电子所能产生的二次电子发射效应获得很高的电流内增益的。二次电子的发射特性用二次发射系数来描述，即,其中N1为入射的电子数，N2为产生的电子数。,倍增极的特性其中N1为入射的电子数，N2为产生的电子数。,为与材料的性质、电极的结构和形状以及所加的电压有关,

21、其中U为倍增极所加的电压，b是与材料的性质、电极的结构有关的系数；如果倍增管内有n个倍增极，且各倍增极的倍增系数相同，则阴极每激发一个光电子，阳极就收集到n个倍增后的电子；通常倍增极有914个，的值为36，因此n为105108倍。,为与材料的性质、电极的结构和形状以及所加的电压有关其中U为,3 光电倍增管的主要参量,3 光电倍增管的主要参量灵敏度公式说明阴极灵敏度阴极光谱灵,4 光电倍增管的特性参数,灵敏度(Sensitivity)unit lm 标志光电倍增管光电转换的能力，多指积分灵敏度。阴极灵敏度SK=IK/P 阳极灵敏度SA=IA/P放大倍数（电流增益）在入射光通量下，阳极电流与阴极电

22、流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比。G=IA/IK=SK/SA(一定工作电压下）；阳极伏安特性 IA=IA(VH)(P一定)；暗电流 Id 无光照时的直流成分电流输出；时间特性：渡越时间,上升时间,半宽,渡越时间的分散。,4 光电倍增管的特性参数灵敏度(Sensitivity),光电特性和伏安特性图所示为光电倍增管的光电特性曲线和伏安特性曲线，它在相当宽的范围内为直线。当光功率接近20W时，特性曲线开始偏离直线，出现饱和效应。其原因是最后几级倍增极的疲劳和电荷积累效应使增益系数大大降低。由图可见，光电倍增管的显著特点是适于微弱光信号状态工作。,(a)光电特性曲线；(b)伏安特性曲线,光电特性

23、和伏安特性(a)光电特性曲线；(b)伏安特性曲,噪声特性1.暗电流iT光阴极的热电子发射产生暗电流，暗电流的大小由理查逊(Richardson)方程决定,2.光电流iK,噪声特性 2.光电流iK,3.总电流iA决定的散粒噪声 iA=M(iT+iK)所以散粒噪声为 ins=2eM2F(iT+iK)f1/2 式中,4.负载电阻RL的热噪声,5.总噪声,1/2,3.总电流iA决定的散粒噪声 4.负载电阻RL的热噪声,光电倍增管的时间特性参数,脉冲上升时间 r脉冲响应宽度 n渡越时间分散t,光电倍增管的时间特性参数脉冲上升时间 r,光电倍增管的交流等效电路,iA-阳极电流 C0-等效电容 Rl-直流负

24、载Rz-下一级放大器的输入电阻,高压供电回路光电倍增管阴极(K)和阳极(A)之间的供电电压在千伏量级。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。通常采用电阻分压器方式进行电压分割。由于阴极和第一倍增板之间以及末级倍增极与阳极之间电压的稳定性非常重要，因此有时也采用齐纳二极管代替电阻以保证电压恒定。,光电倍增管的交流等效电路iA-阳极电流 高压供电回路,电源电压稳定性的要求；电阻链分压电阻的确定；并联电容的确定；为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。接地方式阳极接地；阴极接地。,电阻链分压：各级电压均相等，约80100V，总电压约1

25、0001300V，流过电阻链的电流IR至少要比阳极最大的平均电流IAm大10倍以上。,电源电压稳定性的要求；电阻链分压：各级电压均相等，约801,光电倍增管分压电路(a)电阻分压(b)电阻和齐纳管分压,光电倍增管分压电路,光电倍增管的一般供电回路采用阳极接地，负高压供电。由于这种方式可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差，因而光电倍增管的输出光电流可直接与电流计或电流电压转换的运算放大器相连，适宜于直流信号应用；有时必须采用阴极接地的方法，阳极接高压电源的正极。在该电路中必须使用耐高压的耦合电容来输出信号，也可将外部信号电路与阳极高压电源隔开。这种方法只适用于交流或脉冲信号测量系统中。,阴极

26、接地法,光电倍增管的一般供电回路采用阳极接地，负高压供电。由于这种方,微通道板光电倍增管,微通道板光电倍增管,53,微通道板光电倍增管 微通道板光电倍增管(MCP光电倍增管)的基本功能与前面的倍增管没有多大差别，只是用微通道板代替了原来的电子倍增器。但是，这种新颖光电倍增管的尺寸大为缩小，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。由于有很高的静电场和通道结构，因此这种光电倍增管对磁场很不敏感，特别是当磁场平行于管子轴线时对光电倍增管几乎没有影响。,光子发射探测器 微通道板光电倍增管,53微通道板光电倍增管 光子发射探测器,54,微通道板(M

27、CP)是由成千上万根直径为1012 m、长度为约为0.5mm的微通道组成。每个微通道是一根很细的玻璃管，它的内壁镀有高阻的二次发射材料，在它的两端施加电压后内壁出现电位梯度，在真空中的一次电子轰击微通道的一端，发射出的二次电子因电场作用而轰击另一处，再发射二次电子。这样通过多次发射二次电子，可获得约104的增益。,光子发射探测器 微通道板光电倍增管,54微通道板(MCP)是由成千上万根直径为1012 m、,55,MCP通道结构,光子发射探测器 微通道板光电倍增管,55MCP通道结构 光子发射探测器,56,MCP光电倍增管结构,光子发射探测器 微通道板光电倍增管,56MCP光电倍增管结构 光子发

28、射探测器,5.光电倍增管的使用要点,1）使用前应了解器件的特性。真空光电器件的共同特点是灵敏度高、惰性小、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差，应注意防震和高压下的安全性；2)使用时不可用强光照射。光照过强时，光电特性的线性会变差，而且容易使光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲劳不能恢复），缩短寿命。一般工作电流控制在0.1几十A以内；3)工作电流不宜过大。工作电流大时会烧毁阴极面，或使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。4)测量交变光时，负载电阻不宜很大。因为负载电阻和管子的等效电容一起构成电路的时间常数，若负载电阻较大，时间常数就变大，频带将变窄，影响动态

29、特性。,5.光电倍增管的使用要点1）使用前应了解器件的特性。真空光,像 管（像增强器）,像 管（像增强器）,像管的步骤：将接受的微弱或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,实现的技术手段：光阴极电子光学系统，MCP荧光屏,像管成像原理图,1 像管工作原理,像管的步骤：实现的技术手段：像管成像原理图 1 像管工作,像管利用外光电效应，将输入的辐射图像转换成电子图像：光敏面接收辐射量子产生电子发射。所发射的电子流密度正比于辐射通量分布。斯托列托夫定律：饱和光电发射的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所构成

30、的图像可以通过光阴极变换成电子流分布构成的电子图像。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。,光电子图像的发射,像管利用外光电效应，将输入的辐射图像转换成电子图像：光电子图,电子图像的能量增强,像管中的电子图像通过特定的静电场或电磁复合场获得能量增强。低能量的电子图像在静电场或电磁复合聚焦场的洛伦兹力作用下得到加速并聚焦到荧光屏上。像管中特定设置的静电场或电磁复合场称之为电子光学系统，具有聚焦电子图像的作用。也称电子透镜。有些像管中还有MCP（微通道板），通过电子图像的电子流密度倍增来进行图像增强。,电子图像的能量增强 像管中的,电子图像的发光显

31、示,荧光屏的基本材料使晶态磷光体，在受到高速电子轰击时，会产生受激发光的现象。荧光屏不仅要具有高的转换效率，而且发射的光谱要和眼睛或与之耦合的光阴极光谱响应一致。当像管中电子图像的加速电压一定时，荧光屏的发光亮度就正比于入射电子流的密度，由此，荧光屏就可以将电子图像转换成可见光的图像。,电子图像的发光显示 荧光屏的,2 像管结构类型与性能指标,分类：按照工作波段分类变像管（红外，紫外，x射线管等）像增强器按工作方式分类连续工作像管选通工作像管按结构分类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,按像管发展阶段分类零代微光像增强器技术一代级联式像增强器技术采用微通道板(MCP)的二代像

32、增强器采用III-V族光电阴极的三代像增强器技术超二代像增强器技术超三代像增强器技术第四代像增强器技术,2 像管结构类型与性能指标分类：按像管发展阶段分类,VcVsVaVsVm1Vm2VcVa聚焦成像VcVsVcVs,第四章光电检测中的光电探测器光电子发射器件3课件,电磁复合聚焦式示意图1-15kV；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；l0-绝缘材料,选通式像增强器结构示意图,电磁复合聚焦式示意图选通式像增强器结构示意图,第四章光电检测中的光电探测器光电子发射器件3课件,第四章光电检测中的光电探测器光电子发射器件3课件,近贴X射线变像管

33、工作原理示意图 缩小型X射线变像管结构示意,3 像管性能参数及其要求,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，以提供足够的亮度。这一性能通常用灵敏度和亮度增益来描述；作为图像成像器，它必须具有小的图像几何失真，适当的几何放大率，尽量小的亮度(能量)扩散能力，以提供足够的视角和对比。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。,1.光谱响应特性,根据响应率的定义-入射辐射功率所产生的输出光电流,式中，P为入射辐射功率；I为输出信号电流；P为单色辐射功率；R为光阴极光谱响应率；P（）为单色辐射功率相对值；R（）为光阴极相对光谱

34、响应率；Pm为单色辐射功率最大值；Rm为光阴极光谱响应率最大值。,3 像管性能参数及其要求 像管既是一个辐射探,式中，a 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的分布之间的吻合程度。,式中，a 称为光谱匹配系数。它反映了在像管响应的波长范围内，,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。,(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

35、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。,2.增益特性 合适的亮度是观察图像的必要条件,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,辐射亮度增益GLx和光通量增益G,式中，Ee为光阴极面入射辐照度；K为光视效能；out为荧光屏输出光通 量；in为光阴极面输入光通量；As为荧光屏有效面积；Ac为光阴极面有效面积；m为像管的几何放大率。,由于荧光屏具有朗伯发光体的特性，发光的亮度分,(3)亮度增益的表达式,光阴极有效面积Ac上产生的光电流为,若以表示电子光学系统

36、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(lmw)的定义/P 可知荧光屏发出的光通量为,(3)亮度增益的表达式 光阴极有效面积Ac上产生的光电流为,单级像管的亮度增益表达式为,三级级联像管的亮度增益为,式中，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。,(4)对亮度增益表达式的讨论,必须提高、R、U和减小m。,单级像管的亮度增益表达式为 三级级联像管的亮度增益为 式中，,3.背景特性,在输出端荧光屏的图像中，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(

37、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（称之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管内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。由于背景的存在，在荧光屏上的目标和其周围背景的图像上都叠加了一个背景亮度，因而使图像的对比下降，影响图像的清晰程度。,(1)等效背景照度,若像管的亮度增益为GL，在像管的光阴极面没有受到照射时，测得荧光屏暗背景亮度为Ldb，则等效背景照度为,3.背景特性 在输出端荧光屏的图像中，除了有,当光阴极面上的输入照度为E、荧光屏的亮度为L时，亮度增

38、益为,根据上式，调节输入照度使荧光屏亮度为暗背景亮度的两倍，此时的输入照度在数值上即等于等效背景照度。等效背景照度的典型值，对变像管而言为10-31x数量级，对像增强器而言则为10-7lx数量级。,(2)对比恶化系数,式中：r1称为对比恶化系数，Cb是有背景影响时输出图像的对比，C0是没有背景影响时输出图像的对比。,当光阴极面上的输入照度为E、荧光屏的亮度为L时，亮度增益为,4.成像特性,(1)放大率,(2)畸 变,式中，mr为距光阴极中心特定半径处的放大率；m0为中心放大率。,三级级联像管,式中，D1、D2、D3是各单级像管的相对畸变。,4.成像特性(1)放大率(2)畸 变 式中，mr为距,

39、(3)分辨力,成像器件刚刚能分辨清两个相邻极近的目标的像的能力称为该成像器件的分辨力。,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，即lp/mm。所谓分辨的线对数是指能分辨出每个单元的四个方向（或二个方向）的条纹。如果不能同时看清，则认为该单元是不能分辨。,(3)分辨力 成像器件刚刚能分辨清两个相邻极近的目标,(4)调制传递函数,光电子成像器件的空间频率常数和器件指数(fc，n),式中，fc为空间频率常数，亦既MTF下降到e-1时的空间频率（lp/mm）；n为器件指数，其与具体的器件有关，值介于1.22.1之间。,(4)调制传递函数 光电子成像器件的空间频率常数和器件指数(,作业:1什么是外光电效应，简述外光电效应的两个定律。2简述光电发射的三个过程。3试述光电倍增管的原理。设管中有n个倍增极，每个倍增极的二次电子发射系数均为，试推导电流增益Mn。,作业:,