第4章_光电发射器件

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1、第4章 光电发射器件 光电发射器件是基于外光电效应的器件 1 真空光电器件: 光电管, 光电倍增管, 像增强管 光电管 光电倍增管 像增强 管 特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小 缺点：结构复杂，工作电压高，体积大 应用: 微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息捕捉等 2 4.1 光电发射阴极 光电发射阴极是光电发射器件的重要部件，它是吸收 光子能量发射光电子的部件。常将半导体光电发射材 料，涂于玻壳内壁，构成光电发射阴极，而阳极是金 属环或金属网，在其对面。 4.1.1 光电发射阴极的主要参数 光电发射阴极的主要特性参数有： 1.灵敏度输出电流对光照的敏感程度 2.量子效率照射光子数与

2、发射电子数关系 3.光谱响应灵敏度等与入射辐射波长的关系 4.暗电流光照时由热电子发射产生的电流 3 在单色(单一波长)辐射作用于光电阴极时，光电 阴极输出电流Ik与单色辐射通量e,之比，称为光电 阴极的光谱灵敏度Se,。即: 1. 灵 敏 度 (1) 光谱灵敏度 单位为A/W或A/W。 (2) 积分灵敏度 在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时， 光电阴极输出电流Ik与入射辐射通量e之比，称为光 电阴极的积分灵敏度Se。即 4 在可见光波长范围内的“白光”作用于光电阴极时，光电 阴极电流Ik与入射光通量v之比为光电阴极的白光灵敏度Sv。 即: 单位为mA/W或A/W。 单位为mA/lm。

3、2. 量子效率 在单色辐射作用于光电阴极时，光电发射阴极单位时间发 射出去的光电子数Ne,，与入射的光子数之比，称为光电阴极 的量子效率(或称为量子产额)。即 5 量子效率和光谱灵敏度是一个问题的两种描述方 法。它们之间的关系为 (4-1) 式中，波长的度量单位为nm。 3. 光谱响应 光电发射阴极的光谱响应特性用光谱响应特性曲 线描述。光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与入 射辐射波长的关系曲线称为光谱响应。 6 光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温 下获得了热能产生热电子发射，形成暗电流。光电发 射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值有关。一般光 电发射阴极的暗电流极低，其强度相当于10

4、-1610- 18Acm-2的电流密度。 4. 暗电流 4.1.2 光电阴极材料(自学） 7 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理 4.2.1 真空光电管的原理 (1) 真空型光电管 当入射光透过光窗照射到光电阴当入射光透过光窗照射到光电阴 极面上时，光电子从阴极发射出去极面上时，光电子从阴极发射出去 ，在阴极和阳极之间的电场作用下，在阴极和阳极之间的电场作用下 作加速运动，被高电位的阳极收集作加速运动，被高电位的阳极收集 ，其光电流的大小主要由阴极灵敏，其光电流的大小主要由阴极灵敏 度和入射辐射的强度决定。度和入射辐射的强度决定。 或充气 其工作原理电路如图4-2所示，在 阴极和阳极之间

5、加有一定的电压 ，且阳极为正极，阴极为负极. 8 光照产生的光电子在电场作用下运动，途中与惰性 气体原子碰撞而电离，电离又产生新电子，它与光电子 一起被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流 . (2) 充气型光电管 光电管的特点光电管的特点 优点： 光电阴极面积大，灵敏度较高 ，一般积分灵敏度可达20 200A/lm； 暗电流小，最低可达10-14A； 光电发射弛豫过程极短 缺点：缺点： 体积都比较大； 工作电压高达百伏到数百伏； 玻壳容易破碎等 9 光电管的光电特性 曲线1、2、3是真空光电管的 曲线4、5、6则是充气光电管情况。 不论那一种情况，光电流与光照量 在一定范围内呈直线关系，

6、通常将与 直线部分相对应的光照量范围称为光 电管的动态范围。 真空光电管与充气光电管相比，灵敏 度低，但线性好，动态范围大。 0.20.60.40.81 25 20 15 10 5 0 5 6 4 3 2 1 i P/lm i/uA 10 光电管的伏安特性 光电管两端电压u和流过的 电流i之间有关系: 真空光电管的伏安特性曲线如 右图。 充气光电管的伏安特性曲线有 严重的非线性，应用较少。 20 15 10 5 0 50100 150 200 250 0.15 0.1 0.05 0 (lm) i(uA) u/V 11 4.2.2 光电倍增管 （Photo-multiple tube简称为PMT

7、PMT） 是一种基于外光电效应和二次电子发射效应的电子 真空器件。它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增， 获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。它 由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极 等部分组成。 端窗式端窗式 侧 窗 式 12 1光电倍增管的基本原理 端窗式端窗式 光子透过入射窗口入射在光电阴极K上; 光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中 光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍 增级上，倍增级将发射出比入射电子数目更多的二次电 子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次 经过倍增后的二次电子由阳极A收集，形成阳极光电流。 13 2. 光电倍增

8、管的结构 (1) 入射窗结构 侧窗型（sideon）:从侧面接收入射光。 使用不透明光阴极（反射式光阴极）和 环形聚焦型电子倍增极结构，这种结构能 够使其在较低的工作电压下具有较高的灵 敏度。 单价比较便宜（一般数百元/只），在分光 光度计、旋光仪和常规光度测定方面具有 广泛的应用。 端窗型（headon）：从顶部接收入射 光。 入射窗的内表面上沉积了半透明 的光阴极（透过式光阴极），这使 其具有优于侧窗型的均匀性。 其价格一般在千元以上。 14 光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。玻璃 对光的吸收和波长有关，光电倍增管光谱特性短波阈 值决定于光窗材料。 如：硼硅玻璃，其透射光谱范围从3

9、00nm到红外 熔融石英，其透紫外波长可达到160nm (2) 倍增极结构 要求要求 a. 适当设计的电极结构，使前一级发射出来的电子尽 可能没有散失地落到下一个倍增极上，即使下一级 的收集率接近于1； b. 使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所 经历的时间尽可能相同，即渡越时间离散最小。 15 倍增极分类倍增极分类： 非聚焦型非聚焦型只加速。只加速。倍增极间的电子束是平行的。 如：百叶窗型、盒栅式。 聚聚 焦焦 型型加速聚焦。如：加速聚焦。如：瓦片式、圆形鼠笼式 a. a. 百叶窗型：百叶窗型：每一级倍增每一级倍增 极均由一组倾斜的平行叶极均由一组倾斜的平行叶 片组成，下一级叶片倾斜

10、片组成，下一级叶片倾斜 方向相反。叶片上接金属方向相反。叶片上接金属 网以屏蔽前级电场，提高网以屏蔽前级电场，提高 收集率。特点为倍增极大收集率。特点为倍增极大 ，其，其输出一致性较好，宜输出一致性较好，宜 作微弱光信号探测作微弱光信号探测 16 17 b.b.盒栅型：盒栅型：倍增极由倍增极由1/41/4圆圆 弧盒组成，前面接有金属弧盒组成，前面接有金属 网。特点是网。特点是体积小，均匀体积小，均匀 性、稳定性较好，性、稳定性较好，对电源对电源 要求不严格，但要求不严格，但不宜于快不宜于快 速探测或要求线性电流大速探测或要求线性电流大 的探测。的探测。 18 c.c.瓦片（直列）聚焦型：瓦片（

11、直列）聚焦型：倍倍 增极的形状类似瓦片，其曲增极的形状类似瓦片，其曲 度能提供聚焦电场，提高次度能提供聚焦电场，提高次 级电子利用率。特点是级电子利用率。特点是时间时间 响应快响应快。 19 d.d.圆形鼠笼型：圆形鼠笼型：主要应用于主要应用于 侧窗型光电倍增管。其主要侧窗型光电倍增管。其主要 特点为特点为紧凑的结构和快速时紧凑的结构和快速时 间响应特性。间响应特性。 20 4.3 光电倍增管的基本特性 1. 灵敏度 (1) 阴极灵敏度 光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量之比, 称为阴极光谱灵敏度，即： (4-2) 若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度表示， 即Ik与光谱辐射通量的积分之

12、比，记作Sk (4-3) 21 (2) 阳极灵敏度 光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射通量之 比称为阳极光谱灵敏度，即： 若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa (4-4) (4-5) 22 2. 电流放大倍数(增益) 光电倍增管在电源电压确定后，电流放大倍数可以从 定义确定: 电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性，它 不但与倍增极材料的二次电子发射系数有关，而且 与光电倍增管的级数N有关。 理想光电倍增管的增益G与电子发射系数的关系为 G=n 23 当考虑到光电阴极发射出的电子被第1倍增极所 收集，其收集系数为1，且每个倍增极都存在收集 系数i ，因此，增益G应修正为

13、对于非聚焦型光电倍增管，1近似为90%，i要高 于1 但小于1； 对于聚焦型的，尤其是在阴极与第1倍增极之间具有 电子限束电极F的倍增管，其1 i 1。 增益G经验公式 对于锑化铯倍增材料 对银镁合金 24 3. 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。 影响暗电流的主要因素： 欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电 、管座漏电和灰尘漏电等。欧姆漏电通常比较稳定， 对噪声的贡献小。在低电压工作时，欧姆漏电成为暗 电流的主要部分。 (1) 欧姆

14、漏电 25 由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生 热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射， 并被电子倍增系统倍增。热发射暗电流Idt和温度T，光 电发射阈值Eth之间的关系为（A为常数）： (4-13) 降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法. 光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气 体电离，产生正离子和光子，被倍增形成暗电流。这 种效应在工作电压高时特别严重。 (2) 热发射 (3) 残余气体放电 26 光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极尖 端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流。降低工 作电压,场致发射暗电流也将下降。 当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽

15、层与玻璃壳 之间的电场很强，在强电场下玻璃壳可能产生放电现象 或出现玻璃荧光，引起暗电流。 (4) 场致发射 (5) 玻璃壳放电和玻璃荧光 27 4. 噪 声 光电倍增管的噪声主要由散粒噪声和负载电阻的热 噪声组成。负载电阻Ra的热噪声为 (4-14) 散粒噪声主要由阴极暗电流Idk，背景辐射电流Ibk 以及信号电流Isk的散粒效应所引起的。阴极散粒噪声 电流为： (4-15) 阴级散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产 生自身的散粒噪声。 28 为简化问题，设各倍增极的电压相等时发射系数 相差很小时，则倍增管末倍增极输出的散粒噪声电流 简化为 (4-20) 总噪声电流为 (4-21) 在设

16、计光电倍增管电路时，总是力图使负载电阻的 热噪声远小于散粒噪声 (4-21) 29 设光电倍增管的增益G=104，阴极暗电流Idk=10- 14A,在室温300K情况下，只要阳极负载电阻R a满足 (4-23) 则电阻的热噪声就远远小于光电倍增管的散粒噪声。这 样，在计算电路的噪声时就可以只考虑散粒噪声。 30 5. 伏安特性 (1) 阴极伏安特性 当入射光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极 电流Ik与阴极和第一倍增极之间电压(简称为阴极电压Uk) 的关系曲线称为阴极伏安特性。 图4-6为不同光通量下测得 的阴极伏安特性。从图中可见, 当阴极电压较小时阴极电流Ik随 Uk的增大而增加，直到Uk大于 一定值(几十伏特)后，阴极电流 Ik才趋向饱和，且与入射光通量 成线性关系。 31 (2) 阳极伏安特性 当入射到光电倍增管阳极面上的光通量一定时，阳 极电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压(简称为阳极电压 Ua)