第三章光电技术PMT课件

3.5光电发射效应及其光电发射效应及其PMT3.5.1光电发射效应光电发射效应-外光电效应外光电效应（一）光电发射原理（一）光电发射原理金属或半导体在光的照射下金属或半导体在光的照射下吸收吸收光子激发出自由电子光子激发出自由电子，当吸收的，当吸收的能量足以克服原子核对电子的束能量足以克服原子核对电子的束缚时，电子就会脱离原子核逸出缚时，电子就会脱离原子核逸出物质的表面，这就是物质的物质的表面，这就是物质的光电光电发射现象发射现象，也称为，也称为外光电效应外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物它是真空光电器件光电阴极的物理基础。理基础。（二）光电效应三定律（二）光电效应三定律n1.光电发射第一定律光电发射第一定律斯托列托夫定律：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（即单位时间内发射的光电子数目）与入射辐射和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射辐射通量（光强度）成正比：通量（光强度）成正比：I：饱和光电流；：饱和光电流；k：光电发射灵敏度系数；：光电发射灵敏度系数；：入射辐射通量；：入射辐射通量；n2.光电发射第二定律光电发射第二定律光电子的光电子的最大动能最大动能与入射光的与入射光的频率频率成正比，而成正比，而与入射光强度无关：与入射光强度无关：n外光电效应发生的条件：外光电效应发生的条件：n3.光电效应中有光电效应中有红限红限存在，即光电发射的存在，即光电发射的长波限为：长波限为：（三）光电发射的基本过程（三）光电发射的基本过程光电发射大致可分三个过程：光电发射大致可分三个过程：n1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，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的激发态。从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。n2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。去一部分能量。n3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克达到表面的电子，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，即服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出，形成光电子。可从表面逸出，形成光电子。光电发射的基本过程光电发射的基本过程（四）相关材料特性（四）相关材料特性1.良好光电发射材料的标准良好光电发射材料的标准光吸收系数大光吸收系数大,以便产生较多的受激电子；以便产生较多的受激电子；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，使其逸出深度大；使其逸出深度大；表面势垒低，使表面逸出几率大；表面势垒低，使表面逸出几率大；具有一定的电导率。因为电子出去以后，还要具有一定的电导率。因为电子出去以后，还要从外部电源补充电子。从外部电源补充电子。满足上述满足上述4点的材料就会得到较高的量子点的材料就会得到较高的量子效率，是好的光电发射材料。效率，是好的光电发射材料。2.为什么纯金属不适合用作光电阴极材料？为什么纯金属不适合用作光电阴极材料？n金属材料是否满足上述金属材料是否满足上述4点？点？n其反射率为其反射率为90%，吸收光能少；，吸收光能少；n体体内内自自由由电电子子多多，由由于于碰碰撞撞引引起起的的能能量量散散射射损损失大，逸出深度小；失大，逸出深度小；n逸逸出出功功大大（3eV），难难逸逸出出金金属属表表面面，量量子子效率低；效率低；n光光谱谱响响应应在在紫紫外外或或远远紫紫外外区区（红红限限不不长长于于600nm），适于紫外灵敏的光电器件。），适于紫外灵敏的光电器件。3.半导体作阴极的优点半导体作阴极的优点n光吸收系数比金属大；光吸收系数比金属大；n体体内内自自由由电电子子少少，光光电电子子在在运运动动过过程程中中的的能能量量损失小，故量子效率比金属大；损失小，故量子效率比金属大；n价带中的电子浓度大，电子逸出功小；价带中的电子浓度大，电子逸出功小；n光发射波长延伸至光发射波长延伸至可见光可见光、近红外近红外波段。波段。n70年年代代后后期期在在半半导导体体光光电电发发射射材材料料的的基基础础上上，发发展展了了负负电电子子亲亲和和势势光光电电阴阴极极，长长波波可可至至1.6um。EAEAEA N P本征半导体本征半导体P型半导体型半导体N型半导体型半导体电子亲和势（电子亲和势（EA）指导带底上的电子向真空逸出所需要指导带底上的电子向真空逸出所需要的能量。的能量。光电逸出功光电逸出功指材料在绝对零度时光电子逸出表面所需的指材料在绝对零度时光电子逸出表面所需的最低能量。描述材料表面对电子束缚的强弱。最低能量。描述材料表面对电子束缚的强弱。3.5.2光电倍增管光电倍增管(PMT-Photo-multipletube)n利用利用外光电效应外光电效应和和二次电子发射效应二次电子发射效应相结合，把微弱的光相结合，把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子输入转化为光电子，并使光电子获得倍增获得倍增的一种真空光的一种真空光电探测器件，极大地提高了检测灵敏度。电探测器件，极大地提高了检测灵敏度。n放大倍数很高，用于探测微弱信号；放大倍数很高，用于探测微弱信号；n光电特性的线性关系好光电特性的线性关系好；n工作频率高工作频率高；n性能稳定，使用方便性能稳定，使用方便；n供电电压高；供电电压高；n玻璃外壳，抗震性差；玻璃外壳，抗震性差；n价格昂贵，体积大；价格昂贵，体积大；一、光电倍增管的结构与原理一、光电倍增管的结构与原理n光窗（光窗（Inputwindow)n光电阴极光电阴极(Photocathode)n电子光学系统电子光学系统n电子倍增系统电子倍增系统(Dynodes)n阳极阳极(Anode)n1、光窗、光窗n入射光的通道；入射光的通道；n光窗材料决定了光窗材料决定了PMT光谱特性的短波阈值光谱特性的短波阈值;PMT光光谱特性的长波阈值由什么因素决定谱特性的长波阈值由什么因素决定?n光窗通常有侧窗和端窗两种类型；光窗通常有侧窗和端窗两种类型；n常用窗口材料有：硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、常用窗口材料有：硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、蓝宝石和氟化镁等；蓝宝石和氟化镁等；n光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面,接收入射光接收入射光,向向外发射光电子。外发射光电子。透射型透射型透射型透射型反射型反射型反射型反射型n2、光电阴极、光电阴极（1）结构）结构把光电发射体镀在金属或透明材料把光电发射体镀在金属或透明材料（玻璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极。（玻璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极。（2）常用材料）常用材料：nAg-O-Cs：近红外唯一具有使用价值的阴极材料；：近红外唯一具有使用价值的阴极材料；nCsSb：可见、紫外区有较高的响应率：可见、紫外区有较高的响应率;n多碱光电阴极多碱光电阴极（双、三、四（双、三、四碱）；碱）；n负电子亲和势材料负电子亲和势材料n3、电子光学系统、电子光学系统是指是指光电阴极光电阴极至至第一倍增极之间第一倍增极之间的区域。的区域。n电子光学系统在结构上主要由电子光学系统在结构上主要由聚焦电极聚焦电极和和偏转电极偏转电极组成组成n电子光学系统的主要作用：电子光学系统的主要作用：n（1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增极的有效区域内；而将其它部分的杂散热第一倍增极的有效区域内；而将其它部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比。电子散射掉，提高信噪比。n（2）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增极所经历的时间尽可能一致，保证极所经历的时间尽可能一致，保证PMT的快速响应。的快速响应。n倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各倍倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由增极都是由二次电子发射体二次电子发射体构成。构成。二次电子发射效应二次电子发射效应当有当有足够动能的电子足够动能的电子轰击某种材料时轰击某种材料时,材料材料表面发射新的电子的现象。称入射电子为表面发射新的电子的现象。称入射电子为一次电子一次电子,从材料表面发射的电子为从材料表面发射的电子为二次电二次电子子。用该材料的。用该材料的二次发射系数二次发射系数 表征材料发表征材料发射电子的能力：射电子的能力：4、电子倍增系统、电子倍增系统二次电子发射的过程二次电子发射的过程：a)材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态（二次电子）；（二次电子）；b)体内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面体内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面运动；运动；c)到达界面的二次电子中能量大于表面势垒的电子发到达界面的二次电子中能量大于表面势垒的电子发射到真空中，成为二次电子。射到真空中，成为二次电子。n要求：要求：二次电子发射系数要大二次电子发射系数要大 倍增极材料倍增极材料I.主要是主要是Ag-O-Cs、CsSb，灵敏的光电发射体一般，灵敏的光电发射体一般也是良好的二次电子发射体；也是良好的二次电子发射体；II.氧化物：氧化物：MgO、BaO；III.合金型：银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等；合金型：银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等；IV.负电子亲合势材料；负电子亲合势材料；倍增极结构倍增极结构n根据电子的轨迹，倍增极可分为根据电子的轨迹，倍增极可分为：非聚焦型非聚焦型只加速只加速如：盒栅式、百叶窗式如：盒栅式、百叶窗式聚聚焦焦型型加速聚焦加速聚焦 如：圆瓦片式（鼠笼式）、如：圆瓦片式（鼠笼式）、直线聚焦式直线聚焦式各种倍增极的结构形式各种倍增极的结构形式 na)百叶窗式百叶窗式b)盒栅式盒栅式c)直瓦片式直瓦片式d)圆瓦片式圆瓦片式5、阳极、阳极n阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。射出来的电子。n阳极结构示意图阳极结构示意图n要求：要求：接收性能良好，接收性能良好，尽可能多的收集电子，尽可能多的收集电子，工作在较大电流时，工作在较大电流时，不至于产生不至于产生空间电荷空间电荷效应。效应。输出电容要小输出电容要小光电倍增管工作原理光电倍增管工作原理n光电倍增管（光电倍增管（PMT）是利用）是利用外光电效应外光电效应制成的一种制成的一种光电探测器件。其光电转换分为光电探测器件。其光电转换分为光电发射光电发射和和电子倍电子倍增增两个过程。其工作原理如下图示。两个过程。其工作原理如下图示。二、二、光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性 n1.1.灵敏度灵敏度（1 1）阴极灵敏度）阴极灵敏度 定义光电倍增管阴极电流定义光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量与入射光谱辐射通量之比为阴极的光谱灵敏度，并记为之比为阴极的光谱灵敏度，并记为 若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，IK与与光谱辐射通量的积分之比，记为光谱辐射通量的积分之比，记为Sk （2 2）阳极灵敏度）阳极灵敏度 定义光电倍增管阳极输出电流定义光电倍增管阳极输出电流I Ia a与入射光谱辐射与入射光谱辐射通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为 若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa n2.2.电流增益（放大倍数）电流增益（放大倍数）电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性。电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性。理想光电倍增管的增益G与电子发射系数的关系为 对于对于锑化铯锑化铯倍增极材料倍增极材料 对对银镁合金银镁合金材料材料 光电倍增管在电源电压确定后，电流放大倍数可以从定义出发，通过测量阳极电流Ia与阴极电流Ik确定。n3.光电特性光电特性在很宽的范围内是线性的，如图在很宽的范围内是线性的，如图P121P121：图：图3.873.87。实际工作时，要求阳极输出电流不得超过额实际工作时，要求阳极输出电流不得超过额定值，定值，一般在一般在100100 A A以下以下，因此，因此PMTPMT只适用于测量只适用于测量非常微弱的光信号。非常微弱的光信号。n4.光谱特性光谱特性n5.伏安特性伏安特性当入射到光电倍增管阳极面上的光通量一定时，阳极当入射到光电倍增管阳极面上的光通量一定时，阳极电流电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压与阳极和末级倍增极之间电压(简称为阳极电压简称为阳极电压Ua)的关系曲线称为阳极伏安特性，如图为的关系曲线称为阳极伏安特性，如图为3组不同强度的光组不同强度的光通量的伏安特性。通量的伏安特性。n6.频率特性：频率特性：高达高达1MHz以上以上当阳极电压增大到一定程当阳极电压增大到一定程度后，被增大的电子流已经能度后，被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集，阳极电够完全被阳极所收集，阳极电流流Ia与入射到阴极面上的光通与入射到阴极面上的光通量量成线性关系而与阳极电压成线性关系而与阳极电压的变化无关。的变化无关。n7.暗电流暗电流 光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为ID。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10-1610-10A，是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。暗电流限制了可测的直流光通量的最小值 影响暗电流的主要因素：1.欧姆漏电 2.热发射 3.残余气体放电4.场致发射 5.玻璃壳放电和玻璃荧光n8.疲劳与衰老疲劳与衰老 光电阴极材料和倍增极材料中一般都含有铯金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，阴极板温度升高，铯金属蒸发铯金属蒸发，影响阴极和倍增极，影响阴极和倍增极的电子发射能力，的电子发射能力，使灵敏度下降使灵敏度下降。甚至使光电倍增。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量使光电倍增管的输出电流不得超过极限值IaM。为。为防止意外情况发生，应对光电倍增管进行过电流保防止意外情况发生，应对光电倍增管进行过电流保护，阳极电流一旦超过设定值便自动关断供电电源。护，阳极电流一旦超过设定值便自动关断供电电源。三、三、光电倍增管的供电电路光电倍增管的供电电路 光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应用的情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电阻分压式供电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10个倍增极提供电压UDD。1、电阻链的设计 考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的电子流按放大倍率分布，其中，的电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流阳极电流Ia最大最大。因此，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相因此，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当流过分压电阻的电流等，但是，当流过分压电阻的电流IR远远大于远远大于Ia时，时，即即 IR Ia时时，流过各分压电阻，流过各分压电阻Ri的电流近似相等。的电流近似相等。工程上常设计工程上常设计IR大于等于大于等于10倍的倍的Ia电流。电流。IR10Ia 选择的阻值太大将使分压电阻功率损耗加大，选择的阻值太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高导致性能的降低，以至于温升太高倍增管温度升高导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。而无法工作。选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R R R=Ubb/IR各分压电阻Ri 为而R1应为R1=1.5 RiR1较高,可使UD1较高,从而提高第一倍增极的二次电子发射系数。2、电源电压 极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数，或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。由可以计算出UDD与Ubb，（锑化铯倍增极材料）（锑化铯倍增极材料）（银镁合金材料）（银镁合金材料）n3.末极的并联电容 当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。电容电容C1、C2与与C3的计算公式为的计算公式为 式中式中N为倍增极数，为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，为阳极峰值电流，t t为脉冲为脉冲的持续时间，的持续时间，UDD为极间电压为极间电压 n4.电源电压的稳定度 光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系 对锑化铯倍增极对锑化铯倍增极 对银镁合金倍增极对银镁合金倍增极 由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkvRL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关 在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。例例1：当采用当采用GDB-235型光电倍增管接收型光电倍增管接收持续时间为持续时间为200ns200ns的光脉冲的光脉冲，已知，已知它的它的倍增级数倍增级数为为8级级，阴极为，阴极为SbCs材料，倍增极也为材料，倍增极也为SbCs材料材料，极间电压为极间电压为100V，阳极输出峰值电流为阳极输出峰值电流为100 A A，输出电压为输出电压为5V5V。并要。并要求放大倍数的求放大倍数的稳定度为稳定度为1%1%。设计此。设计此PMTPMT的供电电路，的供电电路，并确定电源电压的稳定度至少为多少？并确定电源电压的稳定度至少为多少？解解 采用电阻链均匀分压的供电电路,(1)总电压U=NUDD=8 100V=800V (2)选择电阻链的电流IR=10 Iamin (3)因此，总电阻为:R=U/IR=800V/1000 A=800k均分电阻,则 计算出代入计算略.Ri=R/8=800/8=100k(4)确定最后三级并联电容:对SbCs阴极所以:(6)电源电压的稳定度为 对SbCs阴极(5)选择负载电阻为 例例2 如果上题中GDB-235的阴极光电流灵敏度Sk为40A/lm，阳极最大输出电流为2mA，试问阴极面上的入射光通量不能超过多少lm？解解 由于Iam=G SKVm 故阴极面上的入射光通量不能超过 光电倍增管的应用光电倍增管的应用1光谱测量光谱测量2光子计数器光子计数器3在相位激光测距仪中的应用在相位激光测距仪中的应用 光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流低和噪声，还能够在很大范围内调整内增益。因此，它在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。39写在最后写在最后成功的基础在于好的学习习惯成功的基础在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way讲师：XXXXXX XX年XX月XX日