第5章真空光电器件

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,*,第,5,章 真空光电器件,了解：,光电阴极的定义和真空光电器件的定义、分类、结构；,理解：,常用光电阴极的材料：,Ag-O-Cs,、单碱锑化合物,(PEA),、,多碱锑化合物,(PEA),、负电子亲合势材料,(NEA),和紫外,光电阴极材料；,理解：,负电子亲和势材料的光电阴极具有四个特点；,理解：,光电管与光电倍增管结构、组成、工作原理；,理解：,二次电子发射原理和二次电子发射过程三个阶段。,了解：,倍增极结构、特点和阳极的作用；,能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电发射体在光电器件中常与阴极相联故称为光电阴极。,(,一,).,光电阴极的主要参数,2.,量子效率,3.,光谱响应曲线,4.,热电子发射,1.,灵敏度,真空光电器件是基于外光电效应的光电探测器,结构特点,:,有一个真空管、一个光电阴极和,一个光电阳极。,光电阴极和其它元件都放在真空管中。,真空光电器件包括光电管和光电倍增管,什么是光电阴极,?,一,.,光电阴极,1.,灵敏度,光照灵敏度,色光灵敏度,光谱灵敏度,灵敏度,色温,2856K,的钨丝灯,(1),光照灵敏度,在一定的白光照射下，光电阴极的光电流与入射的白光光通量之比,也称白光灵敏度或积分灵敏度。,它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光的光通量之比。,(2),色光灵敏度,一般用不同的滤光片来获得不同的光谱范围，滤光片的透射比不同，它又分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度及红外灵敏。,实际上是局部波长范围的积分灵敏度,QB:,中国青色或兰色玻璃,(,德国,:,BG,),HB:,中国红色玻璃,2.,量子效率,阴极发射的光电子数,N,e,(),与入射的光子数,N,p,(),之比，称为量子效率,:,量子效率和光谱灵敏度之间的关系,:,式中,单位为,nm,；,S,(,),为光谱灵敏度，单位为,A/W,。,波长一定的单色光照射时，光电阴极发出的光电流与入射的单色光通量之比。,(3),光谱灵敏度,可以看出：,量子效率和光谱灵敏度是同一物理意义的两种不同描述,光电阴极中有一些电子的热能有可能大于光电阴极逸出功，因而可产生热电子发射。,热电子发射会引起噪声，限制了探测器灵敏度极限。,室温下典型光电阴极每秒每平方厘米发射的热电子相当于,l0,-16,10,-17,A/cm,2,3.,光谱响应曲线,光电阴极的光谱灵敏度与入射光波长的关系曲线，称为光谱响应曲线。,4.,热电子发射,S(,),/nm,光电阴极一般分为,:,透射型与反射型两种,。,不透明阴极通常较厚，光照射到阴极上，光电子从同一面发射出来，所以不透明光电阴极又称为,反射型阴极,(,二,).,光电阴极的分类,透射型阴极通常制作在透明介质上，光通过透明介质后入射到光电阴极上。光电子则从光电阴极的另一边发射出来，所以透射型阴极又称为,半透明光电阴极。,透射型阴极光电子的逸出深度是有限的，因此，所有半透明光电阴极都有一个,最佳厚度,。,锑和几种碱金属形成的化合物包括双碱锑材料,Sb-Na-K,、,Sb-K-Cs,和三碱锑材料,Sb-Na-K-Cs,等，,Sb-Na-K-Cs,是最实用的光电阴极材料，具有高灵敏度和宽光谱响应，其红外端可延伸到,930nm,，适用于宽带光谱测量仪,.,金属锑与碱金属锂、钠、钾、铯中的一种构成的化合物，都是能形成具有稳定光电发射的发射材料，,CsSb,最为常用，在紫外和可见光区的灵敏度最高。,热电子发射小，表面附近无自由电子，,P-Si,禁带宽度大，热激发很小；,量子效率高，溢出深度大；,光谱响应率均匀,且光谱响应延伸到红外；,光电子的能量集中。,某些应用，要求光电阴极材料只对所探测的紫外辐射灵敏，对可见光无响应。这种材料通常称为“日盲”型光电阴极材料，也称紫外光电阴极材料。目前实用的紫外光电阴极碲化铯,(CsTe),和碘化铯,(Csl),两种。,负电子亲和势材料制作的光电阴极与正电子亲和势材料光电阴极相比,具有以下四点特点,(,三,).,常用光电阴极材料,透射型光谱响应,:300nm,到,1200nm,，反射型光谱响应,:300m,到,1100nm,。,Ag-O-Cs,光电阴极主要应用于近红外探测。,(1)Ag-O-Cs,具有良好的可见和近红外响应。,(2),单碱锑化合物,(PEA),(3),多碱锑化合物,(PEA),(4),负电子亲合能材料,(NEA),(5),紫外光电阴极材料,长波限为,0.32m,长波限为,0.2m,一个好的光电发射材料，应具备下列条件：,光吸收系数大；,光电子在体内传输时受到的能量损失小，使溢出深度大；,表面势垒低（电子亲和势小），使电子从表面溢出的概率大；,热电子发射系数小。,这些材料的真空能级在导带之中，从而使有效的电子亲和势变为负值，这种材料称作负电子亲和势光电阴极材料。常用的有,:GaAs(Cs),和,InGaAs(Cs),光电管主要由玻壳（光窗）、光电阴极和阳极三部分组成,PT,内可以抽成真空也可以充入低压惰性气体，有真空型和充气型两种。,二 光电管与光电倍增管,(,一,).,光电管,(PT),简述真空型和充气型两种光电管的工作原理,?,工作原理,这种型式一般应用在光谱仪和发光强度测量中,侧窗式光电倍增管一般使用反射式光电阴极，而且大多数采用鼠笼式倍增极结构,PMT,的光窗是入射光的通道,侧窗型光电倍增管是通过管壳的侧面接收入射光，,端窗式光电倍增管通常使用半透明光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面,端窗式光电倍增管是通过管壳的端面接收入射光,光电倍增管是在光电管的基础上研制出来的一种真空光电器件，在结构上增加了电子光学系统和电子倍增极，因此极大的提高了检测灵敏度。,光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。,(1).,入射窗口,a.,窗口形式,光窗有侧窗,和端窗两种,(,二,).,光电倍增管,(,PMT,),1,光电倍增管的结构,侧窗,端,窗,该管是一种超小型的,PMT,，适用于光谱学、电子显微镜、闪烁计数和高能物理研究等方面。,由于它采用了端窗式半透明锑钾铯（双碱）光电阴极和,10,级直线静电聚焦式倍增系统及锑钾铯二次发射极，因而具有尺寸小、阳极灵敏度高、暗电流小、脉冲上升时间短等优点。,其主要技术指标为,:(,),阴极灵敏度,30A/l,；,(,),阳极灵敏度为,80,/l,时，阳极电压典型,800,(,最大,1000,),，暗电流典型值,5,（最大,50,);(,),光谱响应范围为,300,650,。,GDB-223,光窗材料对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。,b.PMT,常用的窗口材料,硼硅玻璃,:,透射范围从,300nm,到,HW,透紫外玻璃,:,紫外短波透射截止波长可延伸到,185nm,熔融石英,（,S,i,O,2,）,:,在远紫外区有相当好的透过率，短波截止波长可达到,160nm,蓝宝石,(,A,l,2,O,3,晶体,):,紫外透过率处于熔融石英和透紫外玻璃之间，紫外截止波长可以达到,150nm,。,MgF,2,:,短波透射波长可到,115nm,PMT,常用的窗口材料,硼硅玻璃,透紫外玻璃,熔融石英,蓝宝石,MgF,2,1),使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比,.,倍增极收集电子的能力通常用电子,收集率,表示,；,(2).,电子光学系统,电子光学系统,:,阴极到倍增系统第一倍增极之间的电极空间,.,包括,:,光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。,电子光学系统的主要作用有两点,2),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等，这样可以保证光电倍增管的快速响应,.,通常用,渡越时间离散性,表示。,2),内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动，在运动中因散射而损失部分能量；,1),材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能,态，这些受激电子称为内二次电子；,3),到达界面的内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,。,当具有足够动能的电子轰击倍增极材料时，倍增极表面将发射新的电子。称入射的电子为一次电子，从倍增极表面发射的电子为二次电子,(a),二次电子发射原理,把二次发射的电子数,N,2,与入射的一次电子数,N,l,的比值定义为该材料的,二次发射系数,(3),电子倍增极,倍增系统,是由许多倍增极组成，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。倍增系统决定整管灵敏度。,二次电子发射过程三个阶段,什么是一次和二次电子？,这种结构的光电倍增管具有极好的均匀性和脉冲,线性，抗磁场影响能力强。当阳极采用多电极结,构时，可以做成位置敏感型器件。,最大特点是结构紧凑，时间响应快,。,主要特点是光电子收集率高，均匀性和稳定性较,好，但时间响应稍慢一些。,多用于端窗式光电倍增管,;,主要特点是,时间响应很快，线性好。,适用于端窗式光电倍增管。特点,:,管子的均匀性好，,输出电流大并且稳定，但响应时间较慢，最高响,应频率仅几十兆赫。,微通道板式光电倍增管的响应速度,极快，抗磁场干扰能力强、线性好,。,1,）银氧铯和锑铯两种化合物,:,是,灵敏的光电发射体和良好的二次电子发射体。,3,）合金型,:,银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合,金,4,）负电子亲合势材料,:,铯激活的磷化镓,等,光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类。,（,b,）,倍增极材料,(,大致可分以下四类,),2,）氧化物型,:,氧化镁、氧化钡等,。,(3),倍增极结构,聚焦,不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨迹，可能有交叉。,非聚焦,则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的,倍增极结构形式,:,光电倍增管的性能取决于,倍增极的结构类型,和光电阴极的尺寸和聚焦系统,。,鼠笼式,盒栅式,直线聚焦型,百叶窗式,近贴栅网式,微通道板,式,阳极的作用：,(4).,阳极,对阳极的要求：,有较高的电子收集率；,是收集从末级倍增极发射出的二次电子,能承受较大的电流密度；,具有小的输出电容；,其附近空间不产生空间电荷效应；,目前广泛采用的结构是栅网状。,为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增，,阴极与第一倍增极、各倍增极之间以及末级倍增极与阳极之间都必须施加一定的电压,。,最基本的方法是在阴极和阳极之间加上适当的高压，阴极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻，使各电极之间获得一定的分压,:,(,二,).PMT,的工作原理,经过倍增后的二次电子由阳极,P,收集起来，形成阳极光电流,I,p,，在负载,R,L,上产生信号电压,0,。,光子透过入射窗口入射在光电阴极,K,上,光电阴极,K,受光照激发，表面发射光电子,光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极,D,1,上，将发射出比入射电子数更多的二次电子。入射电子经,N,级倍增后，光电子数就放大,N,次,D,2,D,1,D,n,P,K,U,O,R,n,R,n-1,R,2,R,1,-HV,R,L,了解：,PMT,的特性参数：暗电流、噪声、线性、稳定性、滞,后效应、时间特性、磁场特性,;,了解：,PMT,的供电和信号输出电路,;,理解：,微通道管的结构，工作原理；微通道板的结构、工作,原理以及,MCPPMT,的结构、工作原理和优缺点；,了解：,PMT,的应用。,理解：,PMT,的特性参数：灵敏度、电流放大倍数、伏安特性,;,阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材料性质。阳极的光谱灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数的乘积，而其光谱响应曲线基本上与阴极的相同。,(1),光谱响应,灵敏度,是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数,:,包括光谱响应,阴极灵敏度,阳极灵敏度,.,三,PMT,的主要特性参数,1,灵敏度,(2),阴极灵敏度,阴极的光照灵敏度定义为光阴极产生的光