第5章光电倍增管.ppt

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1、p0eIMhv 光子探测器光子探测器M光电增益输出光电流光电导探测器：光电导探测器：M可以大于可以大于1光电三极管：光电三极管：M102雪崩光电二极管：雪崩光电二极管：M103？M106Photoemissive detector,简称简称PE探测器探测器也称为真空光电器件 光光 电电 管：管：光电倍增管：光电倍增管：被半导体光电器件取代被半导体光电器件取代 极高灵敏度极高灵敏度 10106 6 快速响应快速响应 pSpS应应 用：用：微弱光信号、快速脉冲弱光信号微弱光信号、快速脉冲弱光信号也称为真空光电器件 Photoemissive detector,简称简称PE探测器探测器缺点：结构复杂

2、缺点：结构复杂 工作电压高工作电压高 体积庞大体积庞大优点：灵敏度高优点：灵敏度高 稳定性好稳定性好 响应速度快响应速度快 噪声小噪声小具有外光电效应的材料具有外光电效应的材料 光电子发射体光电子发射体光电子发射探测器中的光电子发射体光电子发射探测器中的光电子发射体 又称为光电阴极又称为光电阴极 光电阴极光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能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！好坏直接影响整个光电发射器件的性能！5.1 5.1 光电阴极光电阴极5.2 5.2 光电管和光电倍增管结构原理光电管和光电倍增管结构原理5.3 5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管

3、的主要特性参数5.4 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路良好的光电发射材料具备的条件：良好的光电发射材料具备的条件：a 光的吸收系数大光的吸收系数大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，表面逸出几率大表面势垒低，表面逸出几率大反射系数大、吸收系反射系数大、吸收系数小、碰撞损失能量数小、碰撞损失能量大、逸出功大适大、逸出功大适应对紫外灵敏的光电应对紫外灵敏的光电探测器。探测器。光吸收系数大得多，散光吸收系数大得多，散射能量损失小，量子效射能量损失小，量子效率比金属大得多光率比金属大得多光谱响应：可见光和近红谱响应：可见光和近

4、红外波段。外波段。金属：金属：半导体：半导体：0AE0AE常规光电阴极常规光电阴极负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极 半导体材料广泛用作光电阴极半导体材料广泛用作光电阴极 （1）、银氧铯）、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极光电阴极峰值波长：峰值波长：350nm,800nm光谱响应范围约光谱响应范围约300-1000nm300-1000nm；量子效率约量子效率约0.50.5；使用温度使用温度100100C C；暗电流大。暗电流大。最早的光电阴极，主要应用于近红外探测最早的光电阴极，主要应用于近红外探测（2）单碱锑化物：）单碱锑化物：金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，能金属锑与碱金属锂、

5、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。形成具有稳定光电发射的发射体。最常用的是最常用的是锑化铯（锑化铯（CsSbCsSb），），其阴极灵敏度最高，量子其阴极灵敏度最高，量子效率为效率为15152525，蓝光区量子效率高达，蓝光区量子效率高达30%30%，长波限为：，长波限为：600nm600nm。广泛用于。广泛用于紫外和可见光区紫外和可见光区的光电探测器中。光谱的光电探测器中。光谱响应范围较窄对红光红外不灵敏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：）多碱锑化物：SbNaKCs 最

6、实用的光电阴极材料，高灵敏度、最实用的光电阴极材料，高灵敏度、宽光谱，红外端延伸宽光谱，红外端延伸930nm，用于宽带光谱测量仪，用于宽带光谱测量仪，扩扩展到近红外展到近红外。（4）紫外光电阴极）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，这种阴极通常称为可见光无响应，这种阴极通常称为“日盲日盲”型光电阴型光电阴极极。“日盲日盲”型光电阴极型光电阴极实用的两种：实用的两种：碲化铯碲化铯(CsTe)长波限为长波限为0.32m碘化铯碘化铯(Csl)长波限为长波限为0.2 m。响应范围响应范围(100280nm)负电子亲和势材料结构

7、、原理负电子亲和势材料结构、原理重掺杂的重掺杂的P型硅表型硅表面涂极薄的金属面涂极薄的金属Cs，经过处理形成经过处理形成N型型的的Cs2O。以以Si-Cs2O光电阴极为例光电阴极为例P型型Si的电子亲和势的电子亲和势:N型型Cs2O电子亲和势电子亲和势:EA1=E0-EC10EA2=E0-EC20体内：体内：P型型表面：表面：N型型从从SiSi的导带底部漂移到的导带底部漂移到表面表面CsCs2 2O O的导带底部。此的导带底部。此时，电子只需克服时，电子只需克服E EAeAe就就能逸出表面。对于能逸出表面。对于P P型型SiSi的光电子需克服的有效的光电子需克服的有效亲和势为亲和势为E EAe

8、Ae=E=EA2A2-E-Ed d由于能级弯曲，使由于能级弯曲，使E Ed dEEA2A2,这样就形成了负电子亲这样就形成了负电子亲和势。和势。体内：体内：P型型表面：表面：N型型负电子亲和势负电子亲和势(体内衬体内衬底材料的底材料的有效有效电子亲电子亲和势和势)是负的是负的经典发射体的经典发射体的电子亲电子亲和势仍是正的和势仍是正的EA1=E0-EC10EA2=E0-EC20EAe=E0-EC11例如，例如，n912，测量精度，测量精度1%电源电源电压稳定度电压稳定度0.1%。3、光电特性、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阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，

9、称为倍增管的光电特性。关系，称为倍增管的光电特性。近红外近红外远紫外远紫外可见光可见光短波限短波限窗口材料限制窗口材料限制 长波限长波限阴极材料限制阴极材料限制 阴极伏安特性阴极伏安特性 阳极伏安特性：阳极伏安特性：光电二极管伏安特性：光电二极管伏安特性：恒流源恒流源计算和分析方法相同计算和分析方法相同阳极伏安特性：阳极伏安特性：光电二极管伏安特性：光电二极管伏安特性：阴极伏安特性阴极伏安特性 阳极伏安特性：阳极伏安特性：交流微变等效电路交流微变等效电路 恒流源恒流源计算和分析方法相同计算和分析方法相同器件时间特性器件时间特性(单位：单位：ns)结结 构构上升时间上升时间渡越时间渡越时间渡越时

10、间散差渡越时间散差直线聚焦型直线聚焦型0.731.350.371.1环形聚焦型环形聚焦型3.4313.6盒栅型盒栅型7577010百叶窗型百叶窗型76010外电路时间特性外电路时间特性 HCe01/1/2LfC R当电路时间常数较大，倍增管的上限截止频率：当电路时间常数较大，倍增管的上限截止频率：倍增管的响应时间倍增管的响应时间输出电路的时间常数输出电路的时间常数7 暗电流暗电流光电倍增管的暗电流是指在施加光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，在无光照情况下规定的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流。测定的阳极电流。光电倍增管的光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是暗电流值在正常应用的情

11、况下是很小的，一般为很小的，一般为nA，是所有光，是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。电探测器件中暗电流最低的器件。暗电流的来源：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，光电阴极和和靠近阴极的倍增极的热电子发射，是是PMTPMT暗电流的主要成分暗电流的主要成分降低降低PMTPMT的工作温度的工作温度 光电倍增管的极间漏电流光电倍增管的极间漏电流-欧姆漏电欧姆漏电-清洁清洁 干燥干燥 场致发射场致发射 降低工作电压降低工作电压 残余气体放电残余气体放电 离子和光的反馈离子和光的反馈9、噪声、噪声8、疲劳特性、疲劳特性部分光电倍增管特性部分光电倍增管特性是保证其正常工作的必要条件

12、，在常用的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。光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。工作电路：工作电路：高压供电电路高压供电电路信号输出电路信号输出电路分压电阻的确定分压电阻的确定 并联电容的确定并联电容的确定 高压电源高压电源 接地方式接地方式 maxAR2010II总电压总电压UAK 在在10001500 V之间，之间，倍增极极间电压倍增极极间电压UD在在80100V之之间可以确定间可以确定分压电阻分压电阻IRIAmax实例：实例：说明：说明：i.第一级对阴极电流形成影响最大第一级对阴极电流形成影响最大,高出高出2030Vii.中间级均匀分配中间级均匀

13、分配iii.最后一级最后一级,要高要高,克服空间电荷区的影响克服空间电荷区的影响.探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳探测光脉冲，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最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。MMkntICnA11数为倍增极的二次发射系3221CCC专用电源：电压波动在专用电源：电压波动在0.050.05以内以内 缺点缺点：阴极负高压，屏蔽：阴极负高压，屏蔽困难，暗电流和噪声大。困难，暗电流和噪声大。优点优点：屏蔽罩靠近阴极，效果：屏蔽罩靠近阴极，效果好；暗电流小，噪声低好；暗电流小，噪声低阳极接地（负高压接法阳极接地（负高压接法 ）阴极接地阴极接地(正

14、高压接法正高压接法)优点优点：便于与后面放大器：便于与后面放大器相连，操作安全相连，操作安全缺点缺点：高压不利于安全操作；：高压不利于安全操作；接耐压很高的隔直电容器。接耐压很高的隔直电容器。电流源电流源 利用伏安特性：利用伏安特性：负载电阻设计负载电阻设计 输出电流输出电流 输出电压等计算输出电压等计算用负载电阻实现用负载电阻实现I/V转换：转换：较大的负载电阻较大的负载电阻1.频率响应变差频率响应变差2.饱和引起非线性饱和引起非线性 负载电阻太大，阳极电压降低 饱和引起非线性饱和引起非线性 用负载电阻实现用负载电阻实现I/V转换：转换：用运算放大器实现用运算放大器实现I/V转换：转换：1.

15、良好的线性良好的线性2.良好频率响应特性良好频率响应特性3.转换效率高转换效率高较大的负载电阻较大的负载电阻1.频率响应变差频率响应变差2.饱和引起非线性饱和引起非线性 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、抗震性是灵敏度高、响应快、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。差。2)使用时不宜用强光照。光照过强时，光电线性会变差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

16、寿命。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，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。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管输出的电流-电压转换，可以获得较好的频率响应和线性。电压转换，可以获得较好的频率响应和线性。使用注意事项使用注意事项超高速超高速碰撞闪光碰撞闪光光电倍增管测量系统光电倍增管测量系统 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。闪烁计数器闪烁计数器：闪烁晶体（闪烁晶体（NaI）+光电倍增管光