弱光信号检测.ppt

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1、第二章 光辐射探测器,2.2 真空光电探测器,2.2.1 光电子发射与光电阴极,2.2.2 光电倍增管原理及结构,2.2.3 光电倍增管的基本特性,2.2.4 光电倍增管的使用,2.2.1 光电子发射与光电阴极,基本规律：1）斯托列托夫定律(光电发射第定律)发射的光电流与入射光强（或光通量）成正比 IK=SK SK：灵敏度,2）爱因斯坦定律(光电发射第二定律)光电子的最大动能与光强无关，随入射光频率的增 加而线性增加,光电子发射过程,吸收光子,光电子向表面运动,克服表面势垒逸出,时间很短 10-12s,绝对零度时光电子逸出表面所需的最低能量光电逸出功W,光电子发射 金属的光电子发射,金属中自由

2、电子的能量服从费米分布。,T=0K时，能量最大的电子处在费米能级EF上，即E=EF。,从金属表面逸出的光电子所具有的动能为：,E：电子在向表面运动过程中的各种散射能量损失E0,E=0，,EA：表面势垒,光电子发射 金属的光电子发射,金属逸出功,T0K时，部分电子的能量比费米能级高 E,曲线在 0后有一拖尾（黄线）,爱因斯坦定律只在T=0K时正确,由于金属中能量比费米能级高的电子很少，曲线在 0后拖尾很小，因此一般认为爱因斯坦定律在室温下成立。,光电子发射 半导体的光电子发射,性能比较：,金 属 逸出功高，表面反射强，对光辐射的吸收率低，存在大量电子，散射能量损失,半导体 逸出功小，量子效率高，

3、表面反射小，吸收系数大，表面、体内光电效应 散射能量损失小 体内存在大量发射中心（价带中有大的电子密度）,现代光电阴极多采用半导体材料,光电子发射 半导体的光电子发射,吸收光子,光电子向表面运动,本征吸收,杂质吸收,自由载流子吸收,价带上的电子,杂质能级上的电子,自由电子,20-30%,1%,微不足道,与价带上电子的碰撞，电离，产生二次电子空穴对，损失能量大，禁带宽度Eg的2-3倍,晶格散射，能量损失小，逸出深度大,自由电子散射忽略不计,光电子发射 半导体的光电子发射,克服表面势垒逸出,本征半导体,杂质半导体,半导体光电逸出功由两部分组成：,重掺杂p型半导体,重掺杂n型半导体,电子从发射中心激

4、发到导带所需的最低能量,电子从导带底逸出表面所需的最低能量（即电子亲和势）,2.2.1 光电子发射与光电阴极,光电阴极,光吸收系数大；,一个良好的光电发射材料应具备下述条件：,光电子在体内传输过程中能量损失小，使逸出深度大；,表面势垒低（电子亲和势低），使表面逸出几率大。,2.2.1 光电子发射与光电阴极,光电阴极,光电阴极多是由化合物半导体材料制作,对于金属，上面三个条件都不满足。,大多数金属光电阴极的光谱响应都在紫外或远紫外区，只能适应对紫外灵敏的光电器件。,量子效率比金属大得多、而光发射波长延伸至可见光和近红外,2.2.1 光电子发射与光电阴极,光电阴极,倍增管光谱特性的长波阈值决定于光

5、电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。,负电子亲和势（NEA)可见、红外 均匀 高,锑铯（CsSb)光谱窄，红光、红外不灵敏 20-30%,铋银氧铯（Bi-Ag-O-Cs)光谱响应 人眼 10%,多碱 可见光 均匀 25%,银氧铯（Ag-O-Cs)可见、红外 1%,表征光电阴极的主要参数有：,灵敏度、量子效率、光谱响应、暗电流,2.2.1 光电子发射与光电阴极,光电阴极,锑化物光电阴极,负电子亲和势光电阴极,2.2.2光电倍增管原理及结构,一、基本结构,加了二次倍增系统的光电管,光电倍增管（Photo Multiplier Tube），简称PMT。它是一种真空光电器件，主要由光入射窗口

6、、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成。,光窗,光窗分侧窗式和端窗式两种,光电阴极结构,端窗式是通过端口端面接收入射光，它通常使用半透明光电阴极。,侧窗式是通过管壳侧面接收入射光，它通常采用反射式阴极。,光窗材料,PMT的短波灵敏度和光谱响应特性都受到窗口材料的限制,钠钙玻璃,硼硅玻璃,紫外玻璃,熔凝石英,氟镁玻璃,电子光学系统,电子光学系统主要有两方面的作用：,一是使光电阴极发射的光电子尽可能汇聚到第一倍增极上，而将杂散热电子散射掉，提高信噪比。,二是使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越的时间尽可能相同，以保证PMT的快速响应。,二、工作原理,光子透过入射窗口射在光电阴极上，,

7、光电阴极受激发，发射一次电子。,然后经电子光学系统聚焦射在第一倍增极上，,激发出更多的二次电子。,经N级倍增极倍增，光电流就放大N次。,二次电子由阳极收集，形成阳极电流。,三、倍增极,1.倍增极材料,2.2.2光电倍增管原理及结构,PMT的倍增功能主要是由电子倍增极完成的，光电阴极发射出的一次电子轰击倍增极，从而激发出数量更多的二次电子。,不同材料发射二次电子的能力是不一样的，为表征这种能力，我们定义二次电子发射系数,二次电子发射过程：,2.2.2光电倍增管原理及结构,光电性能良好的材料也是良好的二次发射体,材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些被激电子称为内二次电子,部分内二次电

8、子向表面运动，在运动过程中因散射而损失能量,如果到达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,2.倍增极的结构,2.2.2光电倍增管原理及结构,PMT,单极,多极,聚焦型,非聚焦型,鼠笼式,直列式,百叶窗式,盒栅式,2.2.2光电倍增管原理及结构,聚焦型,非聚焦型,鼠笼式,直列式,百叶窗式,盒栅式,为了方便使用,将小型光电倍增管和低耗高压电源组合在一个模块里,用户只要准备一般的低压电源,就可以马上得到灵敏度高,动态范围大而且响应快的高性能光传感器。当半导体光电器件的灵敏度不够时,请选择PMT模块。,2.2.3 光电倍增管的基本特性,1.灵敏度2.电流放大倍数（增益）3

9、.伏安特性4.暗电流5.疲劳6.噪声7.时间特性,8.磁场特性9.空间均匀性10.偏振效应11.PMT afterpulse,灵敏度,2.2.3 光电倍增管的基本特性,灵敏度一般包括光谱响应、阳极光照灵敏度和阴极光照灵敏度。,阴极光照灵敏度和阳极光照灵敏度一般都在PMT参数表中标定，其测量原理图如下：,灵敏度参数对于PMT是十分重要的。阴极的光谱响应取决于光电阴极和窗口的材料性质。阳极光谱响应曲线基本和阴极相同（仅差一个倍数）。,值得一提的是：温度对于光电倍增管的影响非常大，以CsSb阴极和多碱阴极为例：,2.电流放大倍数（增益）,阳极电流与阴极电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比,Gm=I

10、A/IK=SA/SK,2.2.3 光电倍增管的基本特性,由于电子在传输过程中会有损失，Gm可由下式近似,Gm=f(g)n,f 为第一倍增极对阴极发射电子的收集效率（通常f=0.9）,g 为倍增极间传递效率（聚焦型g=1，非聚焦型g1）,n 为倍增极个数,为二次电子发射系数,电流放大倍数,设f=1，g=1，即阴极和倍增极发射的电子全被吸收,Gm n,Gm 105 108 n=9 14,对于锑化铯倍增极=0.2VD0.7 Gm=0.2 n VD0.7n VD极间电压,对于银-镁倍增极=0.025VD Gm=0.025 n VDn,2.2.3 光电倍增管的基本特性,已知SK=20A/lm，Gm=10

11、5，额定Ia=200A 求允许的最大入射光通量,SA=Gm SK=2 106（A/lm）,=IA/SA=10-4（lm）,已知阴极面积AK=2cm2，允许的最大入射照度,E=/AK=0.5（lx）,接近天顶的满月在地面所产生的照度为 0.2 lx,2.2.3 光电倍增管的基本特性,2.2.3 光电倍增管的基本特性,3.伏安特性,当入射光通量一定时，阴极光电流（发射电流）IK和第一倍增极之间电压（阴极电压）VK的关系称为阴极伏安特性。,阴极伏安特性,2.2.3 光电倍增管的基本特性,阳极伏安特性,在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。,当入射光通量一定时

12、，阳极电流Ia和阳极电压（最后一极倍增极与阳极之间的电压）Va的关系称为阳极伏安特性。,2.2.3 光电倍增管的基本特性,阳极伏安特性,有一饱和区，Va=50V时，阳极电流趋于饱和,饱和区内，光通量越大，达到饱和的电流越大,曲线有很长的水平区，说明PMT是高内阻器件，有恒流源性质，可通过加大负载来得到大的输出电压,曲线水平部分间隔均匀，说明PMT是良好的线性器件,阳极电压非常大时，曲线略微下降。因为末二极的电子部分越过最后一极直接被阳极吸收使放大倍数下降。,光电倍增管的输出信号和等效电路,2.2.3 光电倍增管的基本特性,C0：杂散电容RL：负载电阻in2：散粒噪声inR2：电阻热噪声iA：阳

13、极电流,4.暗电流,无光照时光电倍增管的输出电流。,引起暗电流的原因有：,热电子发射,漏电流极间绝缘不够，管子外壳不清洁,场致发射105伏/厘米,离子反馈和光反馈残存气体离子电离，荧光,2.2.3 光电倍增管的基本特性,级际电压与暗电流,级际电压,50V 暗电流主要是极间漏电流,50-100V热电子发射电流，PMT正常工作范围,100V出现离子反馈和光反馈，工作不稳定,再加电压导致场致发射,2.2.3 光电倍增管的基本特性,减少暗电流的方法：直流补偿；选频和锁相放大；致冷；电磁屏蔽；磁场散焦,暗电流的温度特性,5.疲劳,可 逆 PMT在瞬间或短期强光照射下，灵敏度下 降，但存放一定时期后可以恢

14、复。,不可逆 过分强光照射，灵敏度下降不可恢复，严重 时烧毁。,工作时，阳极电流不得超过额定值,2.2.3 光电倍增管的基本特性,6.噪声,光电倍增管的噪声主要是散粒噪声，包括阴极电流产生的噪声和各级倍增级产生的噪声,n 1,上式表明，由于倍增过程的起伏使阳极散粒噪声增大。,假设1=2=n=,n=Gm,2.2.3 光电倍增管的基本特性,其中,为使系数K保持最小，必须在光电倍增管的阴极与第一倍增极之间加较高的电压，以增大1。,若 2=n=,n=Gm,IK=IS+IB+ID=SK（S+B+D）S、B为信号和背景辐射通量D=ID/D为暗电流折合辐射通量,2.2.3 光电倍增管的基本特性,7.时间特性

15、,上升时间,渡越时间,渡越时间离散,2.2.3 光电倍增管的基本特性,描述光电倍增管的时间特性有三个参 数：,由于光 电倍增管响应速度很高，所以时间特性的参数是在用极窄脉 冲的函数光脉冲作用于光阴极时测得的,用函数光脉冲照射光电倍增管全阴极时，由于光阴极的中 心和周边位置所发射的光电子飞渡到倍增极历经时间不同，造成阳极电流脉冲的展宽。展宽程度与倍增管的结构有关。,阳极电流脉冲幅度从最大值的10上升到90所经过的时 间，定义为上升时间或响应时间。,从函数光脉冲的顶点到 阳极电流输出最大值所经历的时间定义为渡越时间,由于电子初速度、电子透镜场分布不一样，电子走过的路不同，在 重复光脉冲输入时渡越时

16、间每次略有不同，有一定起伏，此称为渡越时间分散(散差)。,渡越时间分散,渡越时间分散将使管子输出脉冲重叠而不能分辨。所以渡越时间分散代表时间分辨率。,通常光阴极在重复光脉冲 照射下，取阳极输出脉冲上的某一特定点出现时间作出时间谱(见图)，取其曲线的半宽度定义为渡越时间分散FWHM*,8.磁场特性,2.2.3 光电倍增管的基本特性,大部分光电倍增管都会受到周围环境磁场的影响。光电子在磁场影响下会偏离正常的运动轨迹，引起光电倍增管灵敏度下降，噪声增加。,磁屏蔽,为减少磁场影响，一般都需在管子外部加一个金属磁屏蔽筒。金属屏蔽要与阴极电位相连，否则引起暗电流和噪声增大。在对抗磁场要求特别高时，可采用微

17、通道板式PMT。,屏蔽筒长度比倍增管长度长2R,9.空间均匀性,光电倍增管的空间均匀性主要由光电阴极表面的均匀性和倍增极的结构决定。,2.2.3 光电倍增管的基本特性,非均匀性主要表现在光阴极面空间灵敏度不均匀。,对于X-Y平面作二维扫描，测PMT的响应，得到如图的分布：(响应波动0.22.8倍平均值),原因：百叶窗式PMT的每个窗口。阴极连接部分的不均匀分布,对雷达信号的影响,模拟一个雷达信号,距离1000m，分辨率15m，信号分布如图：,加不同的衰减。加平凸镜，使光线汇聚在均匀面上。,消除非线性的方法,10.偏振效应,当线偏振光以一定角度入射到光电阴极面上时，改变偏振面，阳极电流也会发生相

18、应变化。此时最好在倍增管前安装漫射器，以减少这种误差。,11.PMT afterpulse,afterpulse是PMT中尾随探测信号出现的一个或一系列脉冲信号。,由于afterpulse的存在，导致所测得的信号不准确，对于我们的测量都会产生影响。,对于afterpulse的研究，有助于我们更好的了解PMT，并对测量的误差作出校正。,产生原因,PMT中应该是真空，但由于长期使用，外界的气体渗漏进管中。,对于某些弱闪烁光信号，经常可以观察到持续几十毫秒的afterpulse.尤其是5us和40us时的afterpulse.,主脉冲产生的电子使得管子中的气体电离，产生阳离子，这些阳离子被电场作用打

19、在光阴极上，激发出电子，形成了afterpulse。,产生afterpulse 的主要离子是H+、He2+、H2+、He+、O2+、O+。,2.2.4 光电倍增管的使用,1.供电电路,2.使用须知,1.供电电路,倍增管各电极要求直流供电，,2.2.4 光电倍增管的使用,从阴极开始至各级的电压要依次升高，,一般多采用电阻链分压办法来供电。,一般情况下，各级电压均相等，约80150V，总电压约9002000V。,电源的极性：一种是负高压，一种是正高压，各有优缺点。,接地方式：阴极接地或阳极接地。,负高压,2.2.4 光电倍增管的使用,阳极接近于地电位,但阴极处于高电位，管壳附近处于地电位的导体可能

20、引起暗电流和噪声的增大。屏蔽罩不能跟阴极靠得很近。,操作安全，便于跟后面的放大器相接,可通过一个低压耦合电容与交流放大器相接，也可直接与直流放大器相接。,这样对直流光的测量或快速光信号的观测极为方便。可以直流输出。小电流放大器或高频同轴电缆可直接与阳极相连，高频传输特性好。,正高压,2.2.4 光电倍增管的使用,便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好,由于负高压供电简单，所以多采用负高压。,但由于阳极处于高电位，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整个放大器都处于高电压，不利于安全操作；,暗电流小，噪声低。,如果后面接交流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而

21、一般耐压很高的电容器体积大而且价格高，影响高频传输特性。,分压器,分压器的功能：,2.2.4 光电倍增管的使用,分压器一般由一个电源和若干个分压电阻（有的分压器还有齐纳二极管）构成。,供给光电倍增管各个电极一个合适的电位分布，使收集效率高，对快速管来说还要求度越时间分散小。,信号通过管子期间供给各电极足够的信号电流，特别是在输出大电流时要保证光电倍增管仍处于线性工作状态。,分压器的设计,不适当的分压器可能使线性，分辨率和稳定性等参数变坏。,2.2.4 光电倍增管的使用,分压器决定了PMT的供电状态，而管子的供电状态又取决于管子的用途。必须根据不同的工作要求设计不同的分压器。没有万能的，通用的。

22、,如果要求分压器在一定的工作电压下放大倍数最高，那么线性就要受到影响。,分压器通常可细分为三部分：前极，中间极和后极。,2.2.4 光电倍增管的使用,适当提高第一倍增极和阴极之间的电压，可提高第一倍增极对光电子的收集效率，对弱光测量尤为重要。,分压器的前极对PMT的参数影响较大。,阴极与第一倍增极之间较高的场强，使第一倍增极具有较高的二次发射系数。有利于提高单电子幅度分辨率，信噪比和脉冲幅度分辨率等参数。,另外可减少渡越时间，提高响应速度。,提高第一倍增极和阴极间电压的方法是增大分压电阻R1的值。在测量快速脉冲时，建议用齐纳稳压管代替R1,来保持第一倍增极电位稳定。,前极：,2.2.4 光电倍

23、增管的使用,无论是测量直流光信号还是脉冲光信号，中间极一般都采用均匀的电阻分布。,倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，探测脉冲光时，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。,中间极：,对直流光信号的测量，后极也采用均匀分布。对脉冲信号测量后极一般是非均匀分布的。适当增大后几级的分压电阻，使最后几个倍增极之间有效高的电场来避免空间电荷效应。,后极：,测量直流光信号，要保持线性，分压链电流IR一般不小于阳极最大输出电流的20倍。,2.2.4 光电倍增管的使用,测量脉冲信号，脉冲电流大，但平均电流不大时，可在分压器的后几个电阻上并联储能电容0.0020.0

24、5uF,分压电阻的最大值取决于最大阳极电流。最小值取决于供电电源功率，但电流不宜过大，以免引起探头升温。,2.使用须知,光谱匹配光谱响应匹配因数：可定义为光电倍增管光谱响应分布与光源辐射光谱分布相对重合的程度。,2.2.4 光电倍增管的使用,合理的选择与光源相匹配的光电倍增管是很重要的。,尽可能使入射光斑尺寸和有效阴极面积相匹配。不仅可提高信噪比，还可以延长管子寿命。,工作电压,电压的调升：当给光电倍增管施加电压时，须注意缓慢的调节电压上升。如从0V250V.500V750V1KV逐步上升到所需的工作电压，就能使管子工作稳定，并且测得的暗电流很小。如果猛加或急升高压，则将会出现很大的暗电流，大

25、的暗电流还会造成管内放电，引起噪声大大增加，使管子不能工作。,2.2.4 光电倍增管的使用,要保证不超过额定电流V超过额定值电离反馈 管子失效 疲劳永久（不可逆）,电源,（1）电源的稳定性一般精密测量，要求电源电压稳定度为0.010.05，另外工作于脉冲状态，除应有良好的稳定度以外，还应避免电源的噪声和纹波，通常时纹波的要求是小于2040mV。（2）接地方式：阳极接地、阴极接地、中间极接地,2.2.4 光电倍增管的使用,线性,为了保证输出电流与光通量之间的线性关系，分压器电流必须大于阳极输出电流20倍，故要求电源有大的功率。,2.2.4 光电倍增管的使用,对分压器的热稳定性有严格要求，通常选用金属膜电阻。,脉冲光照，一般不必采用大功率电源，需并联旁路电容。,2.2.4 光电倍增管的使用,负载电阻,负载不能选的太大：因为：（1）当输出较大电流时，负载电阻上的降压过大而使加在阳极上的电压减低，将会影响阳极的接受特性，偏离线性。压降必须限制在数伏之内。,（2）高频fRL 1/2fcRL 应取较小值。（根据公式确定）,