光电倍增管工作原理课件.ppt

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1、,4.1光電陰極,一、光電陰極的主要參數,1.靈敏度(1)光照靈敏度(2)色光靈敏度(3)光譜靈敏度,就是局部光譜區域的積分靈敏度。它表示在某些特定的波長區，通常用特性已知的濾光片（藍色為QB24、紅色為HB11、紅外為HWB3）插入光路，然後測得的光電流與未插入濾光片時陰極所受光照的光通量之比。根據插入濾光片的光譜透射比的不同（圖4-1），它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏度。,2.量子效率量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法。它們之間的關係如下(4.1)：,式中單位為nm；S()為光譜靈敏度，單位為A/W。,3.光譜響應曲線光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的

2、關係曲線，稱為光譜響應曲線。真空光電元件中的長波靈敏度極限，主要由光電陰極材料的截止波長決定。4.熱電子發射光電陰極中有少數電子的熱能大於光電陰極游離能，因而產生熱電子發射。室溫下典型陰極每秒每平方厘米發射二個數量級的電子，相當於1010Acm的電流密度。這些熱發射電子會引起雜訊，限制著感測器的靈敏度極限。,二、銀氧銫（Ag-O-Cs）光電陰極銀氧銫陰極是最早出現的實用光電陰極。目前，除了-族的光電陰極外，它仍然是在近紅外區具有使用價值的唯一陰極。銀氧銫陰極是以Ag為基底，氧化銀為中間層，上面再有一層帶有過剩Cs原子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子組成，可用AgCsOAgCs-Cs的符號表

3、示，如圖4-2所示。,有一些光電元件也有不用氧化，而是用硫化，或以鹼金屬代替銫原子，目的都是希望得到高的響應率及合適的光譜響應範圍。Ag-O-Cs光電陰極的光譜響應曲線如圖4-2所示。,三、單鹼銻化物光電陰極銻銫陰極的典型光譜響應曲線如圖4-3所示。,它在可見光的短波區和近紫外區（0.30.45m）響應度最高，其量子效率可達25%，截止波長在0.65m附近；它的典型光照靈敏度達60A/lm，比銀氧銫陰極高得多。CsSb陰極的熱電子發射（約10A/cm）和疲勞特性均優於銀氧銫陰極，而且製造技術簡單，目前使用比較普遍。,四、多鹼銻化物光電陰極五、紫外光電陰極六、負電子親和力光電陰極現以Si-CsO

4、光電陰極為例加以說明，它是在p型Si的基質材料上塗一層極薄的金屬Cs，經特殊處理而形成n型CsO。表面為n型的材料有豐富的自由電子，基底為p型材料有豐富的電洞，它們相互擴散形成表面電荷局部耗盡。與p-n接面情況類似，耗盡區的電位下降E，造成能帶彎曲，如圖4-4所示。,圖4-4分別表示p型Si和n型CsO兩種材料的能帶圖。,本來p型Si的發射臨界值是，電子受光激發進入導電帶後需克服親和力才能游離出表面。現在由於表面存在n型薄層，使耗盡區的電位下降，表面電位降低。光電子在表面附近受到耗盡區內建電場的作用，從Si的導電帶底部漂移到表面CsO的導帶底部。此時，電子只需克服就能游離出表面。對於p型Si的

5、光電子需克服的有效親和力為(4.2),(1)量子效率高(2)光譜響應延伸到紅外、光譜響應率均勻由（3.74）式可知，正電子親和力光電陰極的臨界值波長為(4.3),而負電子親和力光電陰極的臨界值波長為(4.4),(3)熱電子發射小(4)光電子的能量集中實用的負電子親和力光電陰極有GaAs、InGaAs、GaAsP等，其光譜響應曲線如圖4-5所示。,4.2光電管與光電倍增管的工作原理,一、光電管光電管主要由光電陰極和陽極兩部分組成，因管內有抽成真空或充入低氣壓惰性氣體的不同，所以有真空型和充氣型兩種。它的工作電路如圖4-6所示，陰極和陽極之間加有一定的電壓，且陽極接正，陰極接負。,二、光電倍增管光

6、電倍增管是一種真空光電元件，它主要由光入射窗口、光電陰極、電子光學系統、倍增極和陽極組成，如圖4-7所示。,光電倍增管的工作原理如圖4-7所示。,為了使光電子能有效地被各電極收集並通過各倍增極倍增，陰極與第一倍增極、各倍增極之間以及末級倍增極與陽極之間都必須施加一定的電壓。最普通的形式是外接一系列電阻，在陰極和陽極之間加上適當的高壓，陰極接負，陽極接正，使各電極之間獲得一定的偏壓，如圖4-7。,1.入射窗口和光電陰極結構光電倍增管通常有側窗和端窗兩種形式，如圖4-8所示。側窗型光電倍增管是透過管殼的側面接收入射光，而端窗式光電倍增管是透過管殼的端面接收入射光。側窗式光電倍增管一般使用反射式光電

7、陰極，而且大多數採用鼠籠式倍增極結構，如圖4-9所示。,端窗式光電倍增管通常使用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內側面。如圖4-9所示。,光電倍增管的短波靈敏度一般受窗口材料限制。常用的窗口材料有下列幾種：(1)硼矽玻璃(2)透紫外玻璃(3)熔融石英（熔融二氧化矽）(4)藍寶石(5)MgF2,圖4-10是常用幾種窗口材料的光譜透射比曲線。光電倍增管的光譜響應特性主要由窗口材料和光電陰極材料決定，因此在使用時應根據窗口和陰極材料的特性，選擇相應的管子。,實用光電倍增管的陰極光譜響應特性如圖4-11和表4-1所示。,2.電子光學系統下面介紹幾種典型的結構和性能。圖4-12是最簡單的電子光

8、學系統。,圖中：1是光電陰極；2是與光電陰極同電位的金屬筒或鍍在玻璃殼上的金屬導電層；3是帶孔膜片；4是第一倍增極。,在圖4-12(b)系統中約為10ns，為了使小型光電倍增管的倍增極合理安排在管殼內（具有對稱性），充分利用玻璃管內的空間，同時保證有高的電子收集率，可採用圖4-12所示電子光學系統。圖中增加了斜劈式圓柱筒電極4，該電極固定在偏心的帶孔膜片上，其軸線與陰極的軸線之間的夾角常取20。這種結構的性能與前者相近。,圖4-12所示的是性能最好的一種結構，它採用了球面形光電陰極，並附加了3個圓筒形電極。此時，陰極表面電位分布比較均勻，而且從陰極中心和邊緣發射的電子的軌跡長度相差甚小，可使穿

9、越時間的離散性接近於零。,3.電子倍增極(1)二次電子發射不同材料的二次電子發射能力是不一樣的。為表徵材料的這種能力，通常把二次發射的電子數與入射的一次電子數的比值定義為該材料的二次發射係數，即(4.5),材料的二次發射係數隨一次電子的能量不同而改變，圖4-13表示與的一般關係。開始時隨的增大而增大，直到達到最大值，隨後若繼續增大，的值卻反而減小。,圖4-14是幾種倍增極材料的二次電子發射特性曲線。,常用的倍增極材料有：(1)複雜的半導體型(2)合金型(3)負電子親和力型,(2)倍增極結構根據電子倍增極的結構形式，目前光電倍增管分成六種形式，如圖4-15所示。,(1)鼠籠式(2)直線聚焦式(3

10、)盒柵式(4)百葉窗式(5)近貼柵網式(6)微通道板式,4.陽極陽極結構比倍增極系統簡單得多，它的作用是接收從末級倍增極發射出的二次電子，通過引線向外輸出電流。對於陽極的結構要求具有較高的電子收集率，能承受較大的電流密度，並且在陽極附近的空間不致產生空間電荷效應。此外，陽極的輸出電容要小，即陽極與末級倍增極及與其它倍增極間的電容要很小，因此目前陽極廣泛採用柵網狀結構。,4.3光電倍增管的主要特性參數,一、靈敏度1.光譜響應一般手冊上給出光電倍增管的光譜響應的波長範圍、峰值波長以及光譜響應曲線代碼。我國規定的代碼由三部分組成：第一部分表示光電陰極形式；第二部分表示陰極材料的種類；第三部分表示光窗

11、材料，如表4-3所示。,實際使用中還應注意環境溫度對光電倍增管光譜響應的影響。圖4-16和分別表示銻銫光電陰極和多鹼光電陰極的光電倍增管光譜響應曲線與溫度的關係。,2.陰極光照靈敏度由4.1節中的定義可知，若入射到光電陰極面上的光通量為，陰極輸出的光電流為，那麼陰極的光照靈敏度為(4.6),光電倍增管陰極光照靈敏度的測量原理如圖4-17所示。,設光源的發光強度為，光電陰極面的面積為A，陰極面離光源的距離為。光電倍增管接收到的光通量(4.7),由（4.6）式可算出陰極光照靈敏度,3.陽極光照靈敏度陽極光照靈敏度表示光電倍增管在接收分布溫度為2856K的光輻射時陽極輸出電流與入射光通量的比值，即(

12、4.8)光電倍增管的陽極光照靈敏度通常採用圖4-18所示的系統測試。,二、放大倍數（增益）前面已談到，光電倍增管倍增極的二次電子發射係數與一次電子的加速電壓有關。當電壓在幾十幾百伏範圍時，可用下式表示：(4.9),如果光電倍增管有級倍增極，那麼光電陰極發射的光電流經過各級倍增極倍增後，從陽極輸出的電流(4.10),式中0為電子光學系統的收集率；1、2 n和 1、2 n分別為第1、2、n級倍增極的電子收集率和二次電子發射係數。同時，假定陽極電子收集率為1，如果各倍增極的和均相等，那麼光電倍增管的放大倍數(4.11),將（4.9）式代入上述式子中，再假定倍增管均勻分壓，級間電壓Vd相等，那麼放大倍

13、數與光電倍增管所加電壓V的關係為(4.12),從上式可知，光電倍增管的放大倍數和陽極輸出電流隨所加電壓的次方指數變化。因此，在使用光電倍增管時，為了使輸出電流穩定，所加電壓應保持穩定。可作如下計算：(4.13),一般情況下，912，因此得出電壓的穩定度應比測量精度高一個數量級的結論。例如測量精度為1%，所加電源電壓的穩定度應為0.1%。,三、暗電流1.暗電流的組成(1)熱電子發射熱電子發射是光電倍增管暗電流的主要部分，根據W.Richardson的研究顯示，熱發射電流與溫度和游離能的關係：(4.14),圖4-19表示幾種陰極材料的光電倍增管陽極暗電流的溫度特性。Ag-O-Cs光電陰極的熱電子發

14、射電流較大，常溫下比多鹼光電陰極要大兩個數量級。紫外光電陰極（Cs-Te、Cs-I）的熱電子發射是最小的。降低熱發射電流的有效方法是降低光電倍增管的工作溫度。從圖4-19可見，當將光電倍增管冷卻到20時能有效地減少熱發射電流。,(2)極間漏電流(3)殘餘氣體的離子發射(4)玻璃閃爍(5)場致發射從上述暗電流產生的原因可見，它與電源電壓有密切關係，如圖4-20所示。在低電壓時，暗電流由漏電流決定；電壓較高時，主要是熱電子發射；電壓再大，則導致場效發射和殘餘氣體離子發射，使暗電流急遽增加，甚至可能發生自持放電。實際使用中，為了得到比較高的訊噪比S/N，所加的電源電壓必須適當，一般工作在圖4-20的

15、b段。,2.減少暗電流方法(1)直流補償暗電流的直流補償方法如圖4-21所示，,在光電倍增管輸出陽極回路中加上與暗電流方向相反的直流成分，以補償暗電流的影響。圖中，補償電流(4.15),(2)選頻和鎖相放大(3)致冷通常光電倍增管的工作電壓為6001300V，由圖4-20可知，熱電子發射是暗電流的主要成分。,(4)電磁屏蔽法(5)磁場散焦法,四、噪聲光電倍增管的雜訊主要有光電元件本身的散粒雜訊、閃爍雜訊以及負載電阻的熱雜訊等。1.散粒雜訊光電陰極發射的平均電流由信號電流和暗電流組成，即(4.16),如前所述，IKS=SK，而由熱電子發射、漏電流、離子發射、玻璃閃爍和場效發射等因素造成的。由陰極

16、電流產生的散粒雜訊(4.17),於是，作為第一倍增極的一次電流將等於信號電流和雜訊電流之和，即(4.18),假定通過每一倍增極的倍增系均為，那麼經過第一倍增極的放大，陰極發射的平均電流放大到，而雜訊將由二部分組成，一部分是由產生的新雜訊源，另一部分是原有雜訊的放大，於是第一倍增極後電流中的雜訊,依此類推可求出陽極電流為，而陽極電流雜訊為(4.19),2.閃爍雜訊3.電阻熱雜訊這類雜訊主要來自負載電阻或運算放大器的回饋電阻和運算放大器輸入阻抗。於是熱雜訊電流(4.20),總雜訊的平方等於散粒雜訊、閃爍雜訊及電阻熱雜訊的平方之和，假定略去第二種雜訊，於是可得到倍增管輸出信號的訊噪比。(4.21),

17、如果選用的倍增管放大係數很大，則實際計算結果顯示，散粒雜訊將明顯大於熱雜訊，於是(4.22),由於IKo=SK，因此根據S/K=1 可求出光電倍增管的雜訊等效功率(4.23),也可以用陽極信號電流、陽極暗電流和陽極響應度來表示：(4.24),由上式可知，要得到小的NEP值，可以採用冷卻或磁散焦技術減小暗電流，也可選用值高的光電倍增管以及減小通頻帶f來達到。亦可以利用D和D*的相應公式，求出光電倍增管的感測率。,五、I-V特性1.陰極I-V特性當入射光通量一定時，陰極光電流與陰極和第一倍增極之間電壓（簡稱為陰極電壓VK）的關係稱為陰極I-V特性，圖4-22為不同光通量下測得的陰極 I-V 特性。

18、從圖中可見，當陰極電壓大於一定值（幾十伏）後，陰極電流開始趨向飽和，與入射光通量成線性變化。,2.陽極I-V特性當入射光通量一定時，陽極電流與最後一級倍增極和陽極之間電壓（簡稱陽極電壓）的關係稱為陽極I-V特性，圖4-23為不同光通量下測得的陽極I-V特性。圖中，當陽極電壓大於一定值後陽極電流趨向飽和，與入射到陰極面上的光通量成線性變化。通常把光電倍增管的輸出特性看作恆流源來處理，這在實際使用中是很重要的。,六、線性光電倍增管中，不同的倍增極結構，其對入射電子的收集特性差別較大，因此對線性影響較大。表4-2列出了各種結構的光電倍增管的最大陽極線性輸出電流。,七、穩定性光電倍增管的不穩定性主要表

19、現在兩方面：(1)在長期工作過程中，靈敏度的慢漂移如圖4-24所示，慢漂移主要是由於最後幾級倍增極在大量電子轟擊下受損，引起二次發射係數變化。這種漂移主要取決陽極電流的大小，而與所加的高壓關係不太大，因此，在穩定性要求比較高的場合，陽極光電流應控制在1A以下。,(2)滯後效應在光電倍增管加上高壓或開始光照的短時間（幾秒或幾十秒）內，陽極輸出電流存在短暫的不穩定，電流可能比穩定值大一些，也可能小一些，如圖4-25所示。,如圖4-25所示，先使光電倍增管在正常條件下工作5分鐘，然後停止光照1分鐘，再重新開啟光照，測量光電倍增管在受照1分鐘內輸出電流的變化，則延遲係數。(4.25),八、時間響應1.

20、上升時間光電倍增管的陽極輸出脈衝上升時間定義為整個光電陰極在函數的光脈衝照射下，陽極電流從脈衝峰值的10%上升到90%所需的時間，該函數的光脈衝半寬度一般小於50ps，如圖4-26所示。,光電倍增管的上升時間的測試原理如圖4-27所示，用一重複的光脈衝照射光電陰極，陽極的輸出信號作為示波器（通頻帶大於100MHz）的觸發信號。,2.穿越時間一個函數的光脈衝（脈衝寬度小於1ns）到達光電陰極和陽極輸出脈衝電流達到最大值的時間間隔定義為光電子的穿越時間，如圖4-26所示。,穿越時間的測試原理如圖4-28所示。,3.穿越時間離散圖4-29表示R268和R931A光電倍增管的時間響應隨所加電壓變化的典

21、型特性曲線。,九、磁場特性圖4-30是直徑為51mm的百葉窗式光電倍增管的典型特性曲線。從圖中可見，即使在地球磁場作用下，管子旋轉或換一個方向工作，輸出信號都會產生明顯的變化。,若有幾個半徑不同的屏蔽筒套在一起使用，那麼組合的磁屏蔽度是各個屏蔽筒磁屏蔽度的乘積。實際使用中還應注意，屏蔽筒（內徑為2）邊緣的磁屏蔽作用明顯減弱，如圖4-31所示。,十、空間均勻性圖4-32表示在某一端窗式光電倍增管的光電陰極上分別用波長為400nm和800nm，直徑為1mm的光點在X和Y兩個方向上掃描，測出的陽極輸出電流與光點位置的函數關係，即光譜靈敏度與光電陰極位置的關係。,由於光電陰極和第一倍增極的幾何形狀的原

22、因，一般側窗式結構比端窗式結構的光電倍增管的空間均勻性更差一些，如圖4-33所示。,十一、偏振效應如果用恆定光照的線偏振光以某一角入射到光電陰極面上，當不斷改變偏振面時，陽極輸出電流也會發生相應的變化。側窗式光電倍增管（如1P28、R456等）通常是這種情況，這種結構中陰極面與管子的半徑方向是不垂直的。圖4-34是用不同波長的線偏振光測量時得到的特性曲線,4.4光電倍增管的供電和信號輸出電路,一、高壓供電為了使光電倍增管能正常工作，通常需在陰極（K）和陽極（P）之間加上近千伏的高壓。同時，還需在陰極、聚焦極、倍增極和陽極之間分配一定的極間電壓，保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增極系統得到

23、放大。最常用的分壓器是採用一組電阻，跨接在陰極與陽極之間，如圖4-35所示。,在陰極與第一倍增極之間，以及陽極與末級倍增極之間有時採用齊納二極體代替電阻，以保證上述極間電壓恆定，如圖4-35所示。,流過分壓電路中的電流Ib與光電倍增管輸出信號的線性密切相關。如圖4-35中，當流過齊納二極體（DZ1、DZ2、DZ3）的電流未達到額定工作狀態時，齊納二極體可能產生比較大的雜訊，影響光電倍增管輸出的訊噪比。為此，在齊納二極體旁並聯電容C1、C2和 C3 來降低齊納二極體產生的雜訊。,1.供電電壓的極性一般的分壓電路中採用陽極接地，負高壓供電，如圖4-35所示。,另外也可以用泡沫橡膠或其它類似的材料將

24、光電倍增管與管罩隔開，當然這些材料應有良好的絕緣性能。如果在玻璃殼外塗上黑色的導電層（稱HA膜），並將它與陰極連接，這樣就可以解決陰極漏電流問題。但在閃爍計數器中，由於與光電倍增管緊密接觸的閃爍體是接地的，這種方法不能使用。在這種情況下，必須採用陰極接地的方法，如圖4-36所示。,2.線性供電方式無論是陽極接地還是陰極接地方式，當照到光電陰極上的光通量增加時，陽極輸出電流也相應增加，如圖4-37所示。,(1)直流信號輸出信號是直流的情況下，採用如圖4-35所示的分壓電路。,因此，由於光電流的影響，使得各極間電壓重新分配，陽極和後幾級倍增極的極間電壓下降，陰極和前面幾級倍增極的極間電壓上升，結果

25、光電倍增管的電流放大倍數明顯增加，如圖4-37中曲線B段出現的現象。當入射的光通量進一步增加時，陽極電流接近於分壓器上的電流，陽極與最末級倍增極之間的電壓趨向零，陽極的電子收集率逐漸減小，最後陽極輸出電流飽和，如圖4-37中曲線C段。,(2)脈衝信號當光電倍增管在大的脈衝電流下工作，在分壓器的後面幾級電阻上並聯頻率特性比較好的瓷片電容，這樣在脈衝信號持續過程中，因電容的放電作用，使極間電壓保持穩定，同時可以獲得較高的峰值電流，如圖4-38所示。,如果脈衝信號進一步增加，這些電容也就不能起有效的作用，由於陽極附近的空間電荷效應，陽極輸出電流趨於飽和。在這種情況下，往往改變極間分壓電阻值，使得從中

26、間倍增極至最後的倍增極和陽極各極之間的電阻值逐漸增加，如圖4-38所示。,3.高壓電源前，一種體積小巧的高壓電源模組比較適合用於光電倍增管中，如圖4-39所示。,輸入直流電壓一般為+15伏，輸出端可獲得上千伏的負高壓，電壓穩定度為0.02%0.05%。通過調節控制端兩端的電阻或電壓值，輸出的電壓可以從200伏至1200伏之間變化，如圖4-39所示。,表4-3是幾種高壓電源模組的特性參數。一般的電源模組內部都有保護電路，當電源過載或短路，模組的輸入電流就趨於某一數值，而輸出電壓就降到零，能有效地保護十多分鐘。,二、信號輸出1.負載電阻輸出光電倍增管輸出的是電流信號，如圖4-40所示。,三、運算放

27、大器輸出從前面的負載電阻的分析中可看出，要保證光電倍增管具有良好的線性和頻率響應特性，負載電阻要小，這又使得輸出信號的轉換效率很低。如果用運算放大器來代替負載電阻，實現電流電壓的轉換，就能解決上述問題。圖4-41所示,4.5微通道板光電倍增管,微通道板（MCP）是由成千上萬根直徑為1540m、長度為0.61.6mm的微通道組成。每個微通道是一根根很細的玻璃管，如圖4-42所示，它的內壁鍍有高阻的二次發射材料，在它的兩端施加電壓後內壁出現電位梯度，在真空中的一次電子轟擊微通道的一端，發射出的二次電子因電場作用而轟擊另一處，再發射二次電子，這樣通過多次發射二次電子，可獲得約10的增益。,帶有兩個串

28、聯的MCP光電倍增管的基本電路如圖4-43所示，在這一近聚焦式的MCP倍增管中，光電陰極和第一微通道板的間距約0.3mm，級間電壓150V，第二微通道板和陽極的間距為1.5mm，級間電壓300V，外加偏壓的變化只改變微通道板上的電壓，從而調節總的增益。,表4-4列舉了日本濱松公司生產的MCP光電倍增管的有關參數。,4.6光電倍增管的應用,光電倍增管典型產品的光電參數如表4-5所示。,一、光譜測量現在以光譜輻射儀為例介紹光電倍增管在光譜測量系統中的應用。光譜輻射儀原理如圖4-44所示。,光電檢測系統的電路原理如圖4-45所示，陽極的最大輸出電流為1A，供電電源採用負高壓電阻分壓方式，其中陰極電壓、陽極電壓及最末級的極間電壓比其它極間電壓高1/3。,二、極微弱光信號的感測光子計數1.工作原理最簡單光子計數器的原理示於圖4-46。,實際上，在光電倍增管的輸出端除了光子所形成的電脈衝外，還存在著其它幾種脈衝：如圖4-47所示的脈衝振幅與脈衝數的關係曲線。,