光电子发射探测器 (2)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,理学院 光电子与物理学系,理学院 光电子与物理学系,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：,M10,2,雪崩光电二极管：,M10,3,？,M10,6,第,05,章 光电子发射探测器,Photoemissive,detector,简称,PE,探测器,光 电 管：,光电倍增管：,被半导体光电器件取代,极高灵敏度 ,10,6,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,05,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,5.1,光电阴极,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！,常用的光电阴极材料,反射系数大、吸收系数小、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：,5.1,光电阴极,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,、常规光电阴极,（,1,）,Ag,O,Cs,材料：,（,2,）单碱锑化物：,（,3,）多碱锑化物：,（,4,）紫外光电阴极：,最早的光电阴极,表,5,1,主要应用于近红外探测,CsSb,阴极最为常用,表,5,1,紫外和可见光区的灵敏度最高,Sb,Na,K,Cs,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,5.1,光电阴极,1,、常规光电阴极,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,0.32,m,碘化铯,(,Csl,),长波限为,0.2,m,。,响应范围,(100280nm),5.1,光电阴极,2.,负电子亲和势阴极,Negative Electron Affinity,，简称,NEA,5.1,光电阴极,电子亲和势,E,A,真空能级与导带,底,能级之差称为电子亲和势,电子亲和势越小，材料发射光电子的能力越强。,真空能级低于,导带,底,能级？,2.,负电子亲和势阴极,Negative Electron Affinity,，简称,NEA,5.1,光电阴极,电子亲和势,E,A,真空能级与导带,底,能级之差称为电子亲和势,负,电子亲和势,真空能级低于,导带,底,能级,发射光电子的能力,更强,2.,负电子亲和势阴极,Negative Electron Affinity,，简称,NEA,5.1,光电阴极,1963,年,Simon,提出了,负电子亲和势,（,NEA,）理论,1965,年,J.J.sheer,和,J.V.laar,用铯激活砷化镓得到,零电子亲和势,光电阴极；,研制出,GaAs,-Cs,负电子亲和势,光电阴极,负电子亲和势材料结构、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,Cs,2,O,。,2.,负电子亲和势阴极,以,Si-Cs,2,O,光电阴极为例,2.,负电子亲和势阴极,P,型,Si,的,电子亲和势,:,N,型,Cs,2,O,电子亲和势,:,E,A1,=E,0,-E,C1,0,E,A2,=E,0,-E,C2,0,体内：,P,型,表面：,N,型,表面,电子，,能级,E,c1,入射光子,体内,电子，能级,E,c1,表面逸出电子,E,0,-,E,c1,0,体内,有效,电子亲和势,:,E,Ae,=E,0,-E,C1,0,E,A2,=E,0,-E,C2,0,E,Ae,=,E,0,-E,C1,1,5.3,光电倍增管的主要特性参数,电流增益的稳定性：,例如，,n,9,12,，测量精度,1%,电源电压稳定度,0.1%,。,5.3,光电倍增管的主要特性参数,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,。,（,1,）弱光，例如光谱仪，开狭缝,（,2,）线性，用于模拟量测量时重要,5.3,光电倍增管的主要特性参数,4,光谱特性,（图,5,9,和,5,10,）,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,5.3,光电倍增管的主要特性参数,4,光谱特性,近红外光,紫外光,可见光,对比光谱响应范围：,PE,探测器,PV,探测器,紫外光,可见光,红外远红外光,PC,探测器,紫外光,可见光,红外极远红外光,5.3,光电倍增管的主要特性参数,5,伏安特性,阴极伏安特性,阳极伏安特性：,光电二极管伏安特性：,恒流源,计算和分析方法相同,5.3,光电倍增管的主要特性参数,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,5.3,光电倍增管的主要特性参数,6,时间特性,5.3,光电倍增管的主要特性参数,三者分别对信号的响应产生什么影响？,6,时间特性,5.3,光电倍增管的主要特性参数,器件,时间特性,(,单位：,ns),结,构,上升时间,渡越时间,渡越时间散差,直线聚焦型,0.7,3,1.3,5,0.37,1.1,环形聚焦型,3.4,31,3.6,盒栅型,7,57,70,10,百叶窗型,7,60,10,外电路,时间特性,(,单位：,ns),6,时间特性,5.3,光电倍增管的主要特性参数,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,9,噪声与噪声等效功率,阳极,散粒噪声,=,阴极,散粒噪声,+,各级,散粒噪声,阳极（总的）散粒噪声的均方值：,5.3,光电倍增管的主要特性参数,阴极散粒噪声对阳极的贡献：,阳极,散粒噪声,=,阴极,散粒噪声,+,各级,散粒噪声,阴极散粒噪声对阳极的贡献：,各级散粒噪声对阳极的贡献：,5.3,光电倍增管的主要特性参数,阳极散粒噪声,=,阴极散粒噪声,+,各级散粒噪声,阴极散粒噪声对阳极的贡献：,阳极散粒噪声的均方值：,物理意义：,1.,倍增起伏使阳极噪声增大,K,倍,2.,增大,1,改善信噪比,5.3,光电倍增管的主要特性参数,噪声增强因子,噪声等效功率,:,PMT,10,-15,10,-16,W/Hz,1/2,PIN PD,10,-14,W/Hz,1/2,APD,10,-15,W/Hz,1/2,噪声等效功率,计算举例：,CR131,光谱响应范围,185,900nm,；峰值波长,400nm,阴极最小有效面积,824mm,2,典型增益,610,6,阳极典型暗电流,3nA,最大,50nA,阴极灵敏度,250,A/Lm,NEP=5.0610,-14,Lm/Hz,1/2,?W/Hz,1/2,5.3,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,第,05,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的结构原理,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,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,U,AK,在,1000,1500 V,之间，倍增极极间电压,U,D,在,80,100V,之间可以确定,分压电阻,5.4,光电倍增管的工作电路,I,R,I,Amax,高压供电电路,分压电阻的确定,5.4,光电倍增管的工作电路,实例：,说明：,i.,第一级对阴极电流形成影响最大,高出,2030V,ii.,中间级均匀分配,iii.,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,C,1,、,C,2,、,C,3,。,C,2,、,C,3,？,5.4,光电倍增管的工作电路,高压供电电路,高压电源,专用电源：电压波动在,0.05,以内,5.4,光电倍增管的工作电路,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。,5.4,光电倍增管的工作电路,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,5.4,光电倍增管的工作电路,信号输出电路,用,负载电阻,实现,I/V,转换：,较大的负载电阻,1.,频率响应变差,2.,饱和引起非线性,5.4,光电倍增管的工作电路,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,5.4,光电倍增管的工作电路,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。,