第5章光电倍增管.ppt.ppt

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1、,光子探测器,M光电增益,输出光电流,光电导探测器：M可以大于1,光电三极管：M102,雪崩光电二极管：M103,？M106,第5章 光电子发射探测器,第5章 光电子发射探测器,Photoemissive detector,简称PE探测器,也称为真空光电器件,光电发射器件是基于外光电效应的器件，它包括真空光电二极管、光电倍增管、变像管、像增强管和真空电子束摄像管。,光 电 管：,光电倍增管：,被半导体光电器件取代,极高灵敏度 106 快速响应 pS,应 用：,微弱光信号、快速脉冲弱光信号,也称为真空光电器件,第5章 光电子发射探测器,Photoemissive detector,简称PE探测器

2、,缺点：结构复杂 工作电压高 体积庞大优点：灵敏度高 稳定性好 响应速度快 噪声小,具有外光电效应的材料 光电子发射体,光电子发射探测器中的光电子发射体 又称为光电阴极,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！,第5章 光电子发射探测器,5.1 光电阴极,5.2 光电管和光电倍增管结构原理,5.3 光电倍增管的主要特性参数,5.4 光电倍增管的工作电路,第5章 光电子发射探测器,5.1 光电阴极,良好的光电发射材料具备的条件：,a 光的吸收系数大b 光电子在体内传输过程中受到的能量损失小c 表面势垒低，表面逸出几率大,常用的光电阴极材料,反射系数大、吸收系数

3、小、碰撞损失能量大、逸出功大适应对紫外灵敏的光电探测器。,光吸收系数大得多，散射能量损失小，量子效率比金属大得多光谱响应：可见光和近红外波段。,金属：,半导体：,常规光电阴极,负电子亲和势阴极,半导体材料广泛用作光电阴极,（1）、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极,1、常规光电阴极,峰值波长：350nm,800nm,光谱响应范围约300-1000nm；量子效率约0.5；使用温度100C；暗电流大。,最早的光电阴极，主要应用于近红外探测,（2）单碱锑化物：,金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，能形成具有稳定光电发射的发射体。最常用的是锑化铯（CsSb），其阴极灵敏度最高，量子效率为152

4、5，蓝光区量子效率高达30%，长波限为：600nm。广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。光谱响应范围较窄对红光红外不灵敏,CsSb阴极最为常用，紫外和可见光区的灵敏度最高,（3）多碱锑化物：,SbNaKCs 最实用的光电阴极材料，高灵敏度、宽光谱，红外端延伸930nm，用于宽带光谱测量仪，扩展到近红外。,（4）紫外光电阴极,光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵敏，而对可见光无响应，这种阴极通常称为“日盲”型光电阴极。,“日盲”型光电阴极,实用的两种：,碲化铯(CsTe)长波限为0.32m,碘化铯(Csl)长波限为0.2 m。,响应范围(100280nm),2.负电子亲和势阴极,负电子亲和势材料

5、结构、原理,重掺杂的P型硅表面涂极薄的金属Cs，经过处理形成N型的Cs2O。,以Si-Cs2O光电阴极为例,P型Si的电子亲和势:,N型Cs2O电子亲和势:,EA1=E0-EC10,EA2=E0-EC20,体内：P型,表面：N型,从Si的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EAe就能逸出表面。对于P型Si的光电子需克服的有效亲和势为EAe=EA2-Ed由于能级弯曲，使EdEA2,这样就形成了负电子亲和势。,体内：P型,表面：N型,负电子亲和势(体内衬底材料的有效电子亲和势)是负的,经典发射体的电子亲和势仍是正的,EA1=E0-EC10,EA2=E0-EC20,EAe=E0-

6、EC10,NEA的最大优点：量子效率比常规发射体高得多,光电发射过程分析：,热电子受激电子能量超过导带底的电子,冷电子能量恰好等于导带底的电子,NEA量子效率比常规发射体高得多！,NEA的优点：量子效率比常规发射体高得多,1、量子效率高2、阈值波长延伸到红外区3、由于“冷”电子发射，能量分散小，在成象器件中分辨率极高4、暗电流极小5、延伸的光谱区内其灵敏度均匀,式（52）与式（165）对比,1、结构,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,5.2 光电管和光电倍增管的结构原理,5.2.1 光电管,充气型光电管：,光电管的特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度

7、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,Photomultiplier Tube 简称PMT,1.基本结构,5.2.2 光电倍增管,电子光学系统,1）.入射光窗,(a)侧窗式(b)端窗式,1）光入射通道,2）短波阈值,作用：,1.基本结构,硼硅玻璃（无钾玻璃）常用的玻璃材料，可以透过从近红外至300nm的入射光，不适合于紫外区的探测。,透紫玻璃（UV玻璃）很好地透过紫外光，和硼硅玻璃一样被广泛使用。分光应用领域一般都要求用透紫玻璃，其截止波长可接近185nm。,窗口材料,合成石英

8、,紫外光波长延伸至160nm,氟化镁（镁氟化物）极好的紫外线透过性，接近115nm，,蓝宝石 紫外光波长延伸至150nm,2）光电阴极,作用:,1)光电转换能力,2)长波波长阈值,3)决定整管灵敏度,3）电子光学系统,作用:,1）收集率接近于1,2）渡越时间零散最小,4）.电子倍增极,由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键部分 作用倍增 10-15级倍增极,4）.电子倍增极,1）二次电子发射,一次电子,二次电子,二次电子发射系数：,（1）二次电子发射,二次电子发射系数：,二次发射系数与一次电子能量关系,增大Ep，值反而下降,不同材料 max 金属：0.51.8半导体和介质：56负电子亲和势材料

9、：500,随Ep增大而增大,Epmax约为1001800eV,内增益极高倍增原理,（1）二次电子发射,入射光照射到光电阴极K上，发射光电子，经电子光学系统加速，聚焦到倍增极上，发射出多个二次电子；电子经n级倍增极，形成放大的阳极电流，在负载RL上产生放大的信号输出。,4）.电子倍增极,（2）实用的倍增极材料,灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体,a 复杂的半导体型：锑铯和锑铯钾等碱金属化合物化合物，b 氧化物型，主要是氧化镁。c 合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁等合金。d 负电子亲合势发射体。,（3）倍增极结构,光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成，光电倍增管按倍增极结构可分为聚焦型

10、与非聚焦型两种。非聚焦型光电倍增管有百叶窗型（图a）与盒栅式（图b）两种结构；聚焦型有瓦片静电聚焦型（图c）和圆瓦片式（图d）两种结构。,（3）倍增极结构,5）阳极,作用：收集最末一级倍增极发射出来的二次电子，向外电路输出电流。,结构：具有较高电子收集率，能承受较大电流密度，在阳极附近空间不产生空间电荷效应。阳极广泛采用栅网状结构。,2.工作原理,1）.光子透过入射窗口入射在光电阴极上;,2).光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中;,3).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级上，倍增级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

11、；,4).经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。,3、光电倍增管分类,1.按进光方式：A侧窗式 B端窗式；,2.电极工作方式：A透射式 B反射式；3.倍增极数目：A单极 B多极；4.倍增极系统结构：A盒状 B圆笼式 C百叶窗式 D直线瓦片式5.光电阴极材料：CsSb、Ag-O-Cs、多碱,3、光电倍增管分类,5.3 光电倍增管的主要特性参数,1灵敏度,2电流增益,3光电特性,4光谱特性,5伏安特性,6时间特性,7暗电流,8疲劳特性,9噪声,1灵敏度,光电倍增管的灵敏度：,单位：,阴极灵敏度 A/lm或A/W,阳极灵敏度 A/lm 或 A/W,灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个

12、重要参数。,1）阴极灵敏度测试图,照射到光电阴极上的光通量约为10-510-2lm,100V300V,0 V,2）阳极光照灵敏度测试,10-1010-6 lm,各倍增极和阳极都加上适当电压；注明整管所加的电压,2电流增益,阳极电流与阴极电流之比称为电流增益M（内增益）,例如：=4，n=10，M106 光电增益M1,例如，n912，测量精度1%电源电压稳定度0.1%。,3、光电特性,阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。,4光谱特性（图59和510）,近红外,远紫外,可见光,短波限窗口材料限制,长波限阴极材料限制,5伏安特性,阴极伏安特性,阳极伏安特性：,光电二

13、极管伏安特性：,恒流源计算和分析方法相同,阳极伏安特性：,光电二极管伏安特性：,5伏安特性,阴极伏安特性,阳极伏安特性：,交流微变等效电路,恒流源计算和分析方法相同,6时间特性,器件时间特性(单位：ns),外电路时间特性,6时间特性,当电路时间常数较大，倍增管的上限截止频率：,倍增管的响应时间,输出电路的时间常数,7 暗电流,光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流。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nA，是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。,暗电流的来源：光电阴极和和靠近阴极的倍增极的热电子发射，是PMT暗电流的主要成分降低PMT的工作温度

14、 光电倍增管的极间漏电流-欧姆漏电-清洁 干燥 场致发射 降低工作电压 残余气体放电 离子和光的反馈,9、噪声,8、疲劳特性,部分光电倍增管特性,5.4 光电倍增管的工作电路,是保证其正常工作的必要条件，在常用的光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。,工作电路：,高压供电电路,信号输出电路,分压电阻的确定,并联电容的确定,高压电源,接地方式,高压供电电路分压电阻的确定,总电压UAK 在10001500 V之间，倍增极极间电压UD在80100V之间可以确定分压电阻,IR,IAmax,高压供电电路分压电阻的确定,实例：,说明：,i.第一级对阴极电流形成影响最大,高出2030Vii.中间级均匀分配i

15、ii.最后一级,要高,克服空间电荷区的影响.,高压供电电路并联电容的确定,探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。,高压供电电路高压电源,专用电源：电压波动在0.05以内,高压供电电路接地方式,缺点：阴极负高压，屏蔽困难，暗电流和噪声大。,优点：屏蔽罩靠近阴极，效果好；暗电流小，噪声低,阳极接地（负高压接法）,阴极接地(正高压接法),优点：便于与后面放大器相连，操作安全,缺点：高压不利于安全操作；接耐压很高的隔直电容器。,信号输出电路 交流微变等效电路,电流源,利用伏安特性：负载电阻设计 输出电流 输出电压等计算,信号输出电路,用负载电阻实现I/V转

16、换：,较大的负载电阻1.频率响应变差2.饱和引起非线性,负载电阻太大，阳极电压降低 饱和引起非线性,信号输出电路,用负载电阻实现I/V转换：,用运算放大器实现I/V转换：,1.良好的线性2.良好频率响应特性3.转换效率高,较大的负载电阻1.频率响应变差2.饱和引起非线性,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、响应快、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。2)使用时不宜用强光照。光照过强时，光电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。3)工作电流不宜过大。工作电流大时会烧毁阴极面，或使倍增级二次电子发射系数下降，增益降低，光

17、电线性变差，缩短寿命。4)用来测量交变光时，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。用运算放大器作倍增管输出的电流-电压转换，可以获得较好的频率响应和线性。,使用注意事项,光电倍增管应用举例,超高速碰撞闪光光电倍增管测量系统,光电倍增管应用举例,碰撞闪光的光电信号随时间变化曲线,峰前部分碰撞物的速度和碰撞角度、尺寸、密度和组成峰后部分碰撞产生的热羽黑体辐射衰减信号强度峰值持续时间间隔弹丸参数黑体衰减持续时间长短靶板参数。,光电倍增管应用举例,闪烁计数器：闪烁晶体（NaI）+光电倍增管,光电倍增管应用举例,闪烁计数器：闪烁

18、晶体（NaI）+光电倍增管,PET系统,注入放射性物质，放射正电子，同周围的电子结合淬灭，射出511kev的射线,由探测器接收，可确定体内淬灭电子位置，得到CT像。,光电倍增管应用举例,滨松生产的高通量（high-throughput）PET系统,光电倍增管应用举例,PET扫描图像显示了许多疾病的早期征兆,本章小结：,1光电子发射探测器是利用外光电效应制成的器 件。光电倍增管：高灵敏度、高响应速度。,2光电阴极：常规光电阴极和负电子亲和势阴 极。,3光电倍增管主要参数。噪声：阴极电流散粒噪 声和各级倍增极的散粒噪声。,4光电倍增管工作电路：高压供电电路和信号输出 电路。,6 光电倍增管的应用,

19、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。,一、光谱测量,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、极微弱光信号的探测光子计数,现在的光子计数系统，可探测到每秒10-12个光子水平的极微弱光，这种光子计数系统已用于生命科学

20、研究中的细胞分类分析，它先用荧光物质对细胞进行标记，然后根据这些细胞发出的不同的荧光进行分析，可以分离和捕集不同的细胞。也要求光子计数系统的探测器有足够高的量子效率和很低的噪声。,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、响应快、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。2)使用时不宜用强光照。光照过强时，光电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。3)工作电流不宜过大。工作电流大时会烧毁阴极面，或使倍增级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)用来测量交变光时，负载电阻不宜很大，因为负载电阻和管子的等效电容一

21、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。,使用注意事项,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。,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

22、护，阳极电流一旦超过设定值便自动关断供电电源。,疲劳与衰老,.荧光分光光度计 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

23、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、环境监测,尘埃粒子计数器 尘埃粒子计数器检测大气或室内环境中悬浮的粉尘或粒子的密度。它利用了尘埃粒子对光的散乱或射线的吸收原理。,浊度计 当液体中有悬浮粒子时，入射光会粒子被吸收、折射。对人的眼睛来看是模糊的，而浊度计正是利用了光的透过折射和散射原理，并用数据来表示的装置。,五、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

24、,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。,六、医疗应用,相机 将放射性同位素标定试剂注入病人体内，通过相机可以得到断层图象，来判别病灶。从闪烁扫描器开始，经逐步改良，相机的性能得到快速的发展。光电倍增管通过光导和大面积NaI（Tl）组合成探测器,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，放出淬灭线，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。

25、,液体闪烁计数 液体闪烁计数应用于年代分析和生物化学等领域。将含有放射性同位素物质溶于有机闪烁体内，并置于两个光电倍增管之间，两个光电倍增管同时检测有机闪烁体的发光。,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。,七、射线测定,区域检测仪 可以连续地检测环境辐射水平。它采用光电倍增管与闪烁体组合的方式，完成对低水平的射线和射线的检测。,射线测量仪 射线测量仪采用光电倍增管与闪烁体组合的方式完成对低水平的射线和射线的检测。,八、资源

26、调查,石油测井应用 石油测井中用以确定石油沉积位置以及储量等。内藏放射源、光电倍增管和闪烁体的探头进入井中，分析放射源被散射的以及地质结构中的自然射线，判断油井周围的地层类型 及密度,九、工业计测,厚度计 工业生产中的诸如纸张、塑料、钢材等的厚度检测，可以通过包括放射源、光电倍增管和闪烁体的设备来实现。对于低密度物质，比如橡胶、塑料、纸张等，采用射线源；诸如钢板等的高密度物质则使用射线。（在电镀、蒸发控制等处，镀膜的厚度可使用X射线荧光光度计）,半导体检查系统 广泛地应用于半导体芯片的缺陷检查、掩膜错位等。芯片的缺陷检查装置中用光电倍增管检测芯片被激光照射后，尘埃、污染、缺陷等产生的散乱光。,

27、十、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。,十一、高能物理-加速器实验,辐射计数器 在2层正交排列的细长塑料晶体的端部，配置光电倍增管，测量带电粒子通过的位置和时间。,契伦柯夫计数器 这是用于粒子撞击反应时产生的二次粒子识别的装置。二次粒子通过诸如气体这种介质时，具有一定能量的电荷粒子会发出契伦柯夫光，测定这种光的发射角度，可以识别电荷粒子。,十二、中微子、正电子衰变实验，宇宙线检测,中微子实验 这种实验用于研究太阳中微子、宇宙线粒子物理学。用于发生契伦柯夫光的大量介质。在其

28、周围配置很多大直径光电倍增管，当中微子等的宇宙射线同介质发生相互作用，就会产生契伦柯夫光。光电倍增管探测到契伦柯夫光，可以解析粒子的飞来方向、能量等。,空气浴计数器 宇宙线与地球大气撞击时，同大气原子发生作用，生成二次粒子，并进一步生成三次粒子。这样地增加下去，称作空气浴。这种空气浴产生的线、契伦柯夫光，由在地面上排列成格子状的许多光电倍增管来探测。,十三、宇宙,天体X线探测 来自宇宙的X线中，含有很多揭开宇宙之谜的信息。ISAS集团发射了探测超新星发出的天体X线的“阿斯卡”卫星，其中使用的探测器就是位置灵敏光电倍增管和气体正比计数管的组合体。,恒星及星际尘埃散乱光的测定,来自宇宙的紫外线有许多与天体表面温度、星际物质有关的信息。但是，地球大气层阻止了紫外线到达地球表面，所以，在地面上不能加以测量。因此，用发射火箭的方法，在火箭上搭载装置，探测300nm以下的紫外线。,激光雷达 激光雷达用于高精度测距、大气观测等。,十四、激光,荧光寿命测定 把激光作为激励光源，测定样品荧光强度的时间变化，用来研究样品的分子结构。,十五、等离子体,等离子体探测 托克马克核聚变实验中的等离子电子密度、电子温度测量系统中，使用光电倍增管用来计测等离子中的杂质。,