光电检测4-概要

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,*,第三章 光电检测器件,一.光电器件的基本特性参数,二.真空光电器件,三.半导体光电器件,四.光电检测器件的性能比较,光电检测器件,第二节：真空光电探测器件,一、光电发射材料,材料种类：纯金属材料、半导体材料，表面吸附其他元素的金属。,良好的光电发射材料的具备条件：,光吸收系数大；,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；,表面势垒低，使表面逸出几率大。,光电检测器件,金属材料的特点：,反射系数大(约为99)，吸收系数小；,自由电子多，由碰撞引起的能量散射损失大、逸出深度小，逸出功大。因此量子效率较低；,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。,光电检测器件,半导体材料的特点：,半导体光发射材料的光吸收系数比金属要大得多；,体内自由电子少，散射能量损失小，所以它的量子效率比金属大得多；,光发射波长延伸至可见光和近红外区。绝大多数光源是可见光或近红外。,常用的经典光电发射材料,1、银氧铯阴极（Ag-O-Cs）,响应度,波长,1.2,图1 Ag-O-Cs光电阴极光谱响应曲线,红外段唯一可用材料，但量子效率低，暗电流大,0.35,0.8,2、锑铯阴极（CsSb）,响应度,波长,图2 Cs-Sb光电阴极光谱响应曲线,蓝光区量子效率高达30%，比AgOCs效率高30倍，长波限在0.7微米左右，积分响应度可达70150微安每流明，但光谱响应范围较窄对红光红外不灵敏,3、多碱光电阴极,A、锑钾钠光电阴极：响应度可达50100,A/lm，在0.4 m处量子效率达25，能耐高温；,B、,锑钾钠铯光电阴极：峰值响应度波长在0.42微米附近，峰值响应度可达230,A/lm，量子效率高；响应范围较宽。,4、碲化铯（紫外）光电阴极：对太阳地表面辐射不敏感，响应范围100280nm；长波限在290320nm。,负电子亲和势材料,为什么NEA阴极的量子效率高于正电子亲和势阴极？,价带中的电子吸收光子能量，跃迁到导带底以上，成为热电子（受激电子能量超过导带底的电子）。在向表面运动的过程中，由于碰撞散射而发生能量损失，故很快就落到导带底而变成冷电子（能量恰好等于导带底的电子）。,热电子的平均寿命非常短，约 10,-14,10,-12,s。如果在这么短的时间内能够运动到真空界面，自然能逸出。但是热电子的逸出深度只有几十纳米，绝大部分电子来不及到达真空界面，就已经落到导带底变成冷电子了。,冷电子的平均寿命比较长，约 10,-9,10,-8,s，。因为体内冷电子能量仍高于真空能级，所以它们运动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常规发射体高得多。,NEA与PEA的对比（见书60页）,二、光电倍增管,光电倍增管（PMT）是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。,光电倍增管的结构及原理,光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。,当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。,因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。,光电检测器件,说明：,阴极室的结构与光阴极K的尺寸和形状有关,它的作用是把阴极在光照下由外光电效应产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一打拿极D1的表面上。,二次发射倍增系统是最复杂的部分。打拿极主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。,常用的打拿极材料有锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。打拿极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。,光电检测器件,在各打拿极 D1、D2、D3和阳极A上依次加有逐渐增高的正电压,而且相邻两极之间的电压差应使二次发射系数大于1。这样,光阴极发射的电子在D1电场的作用下以高速射向打拿极D1,产生更多的二次发射电子,于是这些电子又在D2电场的作用下向D2飞去。如此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极收集。,光电检测器件,主要组成部分,PMT由光电阴极、电子光学输入系统(光电阴极到第一个倍增极之间的系统)、二次发射倍增系统及阳极等构成。光电阴极可根据设计需要采用不同的光电发射材料制成。,光电检测器件,3、分类,“聚焦型”和“非聚焦型”,电子倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型的打拿极把来自前一级的电子经倍增后聚焦到下一级去，两极之间可能发生电子束轨迹的交叉。非聚焦型又分为圆环瓦片式（即鼠笼式）、直线瓦片式、拿栅式和百叶窗式。,聚焦型光电倍增管，电子在其中飞行的时间较短，飞行时间的涨落也小，它适用于要求分辨时间短的场合；,光电检测器件,非聚焦型光电倍增管，由于极与极之间没有聚焦场，电子损矢较大，为了要得到较大的电子倍增，就要增加倍增极数目，相应地也就增加了飞行时间及其涨落，所以这种管子的时间分辨本领较差，其优点是同样大小的光脉冲照射到光阴极不同部位时，阳极灵敏度变化不大，最后输出的脉冲幅度比较一致，因此作能谱测量时的能量分辨率较好。,光电检测器件,端窗式和侧窗式,端窗式：百叶窗倍增极结构、盒栅倍增极结构、瓦片静电聚焦结构；,侧窗式：圆形鼠笼结构,圆笼型：,k,A,D,入射光,光电检测器件,4、PMT的基本特性参数,光谱响应度（灵敏度）,灵敏度是光电倍增管的一个重要参数。,要分别标出阴极灵敏度和阳极灵敏度，有时还需标出阴极的蓝光、红光或红外灵敏度。红光灵敏度往往采用红光灵敏度和白光灵敏度之比来表示。,光电检测器件,实际使用时，更希望知道光电倍增管的阳极灵敏度，它是指光电倍增管在一定工作电压下，阳极输出电流与照在阴极面上的光通量的比值。因此它是一个表征倍增以后的整管参数。,一般还标出在峰值响应波长时量子效率。就管子性能而言，在特定的峰值波长下的量子效率能比灵敏度给出更有用的指示。,2、放大倍数（电流增益）,在一定工作电压下,，光电倍增管的阳极电流与阴极电流之比。,3、暗电流,（1）定义：无光照时，PMT的输出电流。,（2）引起暗电流的因素：,（主要暗电流）光电阴极第一倍增极的热电子发射；,（极间漏电流）各级绝缘体强度不够或极间灰尘放电；,离子光的反馈作用（抽真空技术受限）；,场致发射，尖端放电（尖端，棱角，边缘的高压放电）；,放射性同位素宇宙射线的影响。,（3）减小暗电流的方法：,选好PMT的极间电压；,在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿；,在倍增输出电路加一选频或锁相放大滤掉暗电流；,利用冷却法减小热电子发射等。,4、伏安特性,I,a,V,aDn,E,3,E,2,E,1,E,3,E,2,E,1,图5 PMT的阳极伏安特性,光电检测器件,频率响应,响应时间可达0.23ns,PMT的噪声,一般来说，选PMT总是使热噪声远小于器件固有的散粒噪声，所以PMT主要考虑散粒噪声，而不考虑热噪声。,光电检测器件,5、供电电路,分压器电阻,分压器本身不是光电倍增管的一部分，但为使其正常工作又是一个不可缺少的部分。它的作用是使光电倍增管中从光电阴极到依次各二次极最后到阳极的电位逐渐升高，使光电子顺利完成电子倍增过程，在各种类型的分压器中，用得最多也最简单的是电阻分压器，按照各极间所需电压的比例采用相应的电阻值，使总电压分配到各极间去。,光电检测器件,阴极-第一倍增极：维持阴极与第一倍增圾之间具有适当高的电场是很重要的。这样，第一倍增极就具有较高的二次发射系数，外界电磁场的影响也较小。在快速光电倍增管中，阴极与第一倍增极之间电压应尽可能高，使光电子的渡越时间分散小，一般应两倍于其它极间的电压或更高些。,中间倍增极：中间倍增极电压可根据需要的增益来选择。中间倍增极一般是采用均匀分压器。,光电检测器件,末级倍增极：输出电流大时，末级倍增极应采用非均匀分压器，使最后两级或三级倍增极之间有较高电场，从而避免空间电荷效应。但是在弱光探测中，为了提高管子的灵敏度，有时最后一个电阻值取得小些。,光电检测器件,储能电容,为了避免在最后几个倍增极上由于信号脉冲电流过大而影响极间电位分布，则需在若干个极间加上储能电容。,当倍增极电流小于分压器电流的1/10时，不需要跨接电容。,光电检测器件,供给电源,供给光电倍增管的高压电源，根据使用要求可以采用正高压或负高压。一般有三种接地法，每一种方式各有优点和缺点。,光电检测器件,采用负高压电源(图3-12），阳极输出不需要隔直电容，便于用直流法测量阳极输出电流，一般阳极分布参数也较小。,可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要10一20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极的暗电流和噪声。可在靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上。,光电检测器件,采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔直电容。可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声。,当倍增极作为信号输出极时，可采用中间接地法。由上分析可知，除了对管子的暗电流和噪声有苛刻要求的场合外，一般采用负高压供电是可取的。,光电检测器件,光电倍增管的供电电路原理图如图。一般总电压在900一2000V之间，极间电压在0-150v之间，极间分压电阻值为20k一1M，并联电容C1、C2、C3的数值范围为0.002一0.05,F。,再 见！,