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1、第4章 光电发射器件,光电发射器件（真空光电器件）是基于外光电效应的器件。,外光电效应（光电发射效应）：当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子，这种现象称为光电发射效应或外光电效应。,光电发射效应中光电能量转换的基本关系为：,真空光电器件,光电管被半导体器件取代,光电倍增管,特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小 在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面应用很多。,缺点：结构复杂，工作电压高，体积大,光电发射阴极的主要作用是吸收光子能量发射光电子，是我们光电效应发生的区域。,常将半导体发射材料涂于玻壳内壁，构成光电阴极； 而阳极是金属环或者金属网，在其对面
2、。,4.1 光电发射阴极,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！,（1） 光谱灵敏度 在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,之比为光电阴极的光谱灵敏度Se,。即 其量纲为A/W或A/W。,光电发射阴极的灵敏度包括光谱灵敏度与积分灵敏度两类。,1、灵敏度,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,在某波长范围内的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之比为光电阴极的积分灵敏度Se。,（2） 积分灵敏度,1、灵敏度,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,量纲为mA/W或A/W。,（
3、2） 积分灵敏度,1、灵敏度,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,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,量纲为mA/lm。,2、量子效率,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,一定波长的光子入射到光电阴极时，该光电阴极单位时间发射出去的光电子数Ne,与入射的光子数Np,之比为光电阴极的量子效率（或称量子产额）。,量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。,3、光谱响应,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,真空光电器件中长波灵敏度极限，主要由光电阴极材料的长波限决定
4、：,光电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曲线。,4、暗电流,一、光电发射阴极的主要特性参数,4.1 光电发射阴极,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10-1610-18A/cm-2的电流密度。,1、单碱或多碱锑化物光电阴极,二、光电发射阴极材料,4.1 光电发射阴极,金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，形成具有稳定光电发射的发射物LiSb、KSb、RbSb、CsSb，其中，以CsSb阴极的灵敏度最高，是最具有实用价值的光
5、电发射材料。,（1） 单碱锑化物,锑化铯阴极在可见光的短波长和近紫外区（0.30.45m）响应率最高，长波限在0.65m附近；光照灵敏度60A/lx，量子效率30%，暗电流10-16A/cm2,1、单碱或多碱锑化物光电阴极,二、光电发射阴极材料,4.1 光电发射阴极,当金属锑与几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应度，其中有双碱、三碱和四碱等，统称多碱锑化物光电阴极。,（2） 多碱锑化物,Na2KSb：光谱响应与CsSb相近；峰值波长0.4m；量子效率25%；光照灵敏度50A/lm。,特点是耐高温，工作温度可达150度，可用于石油勘探等场合；热电子发射小，室温下约为10-1710-18A/cm
6、2，可用于光子计数。,1、单碱或多碱锑化物光电阴极,二、光电发射阴极材料,4.1 光电发射阴极,（2） 多碱锑化物,Na2KSb（Cs）：锑钾钠铯阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种。它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量子效率，典型光照灵敏度为150A/lm；长波限850nm；热电子发射10-1410-16A/cm2，工作稳定性好。,2、银氧铯（Ag-O-Cs）阴极,二、光电发射阴极材料,4.1 光电发射阴极,1934年研制的第一支红外变象管就采用这种阴极，是最早出现的实用光电阴极。它的特点是对近红外辐射灵敏。,银氧铯光电阴极的相对光谱响应曲线有两个峰值，一个在350 nm处，一个在800nm
7、处。光谱范围在300nm到1200nm之间。量子效率不高，峰值处约0.5%1%左右。银氧铯使用温度可达100，但暗电流较大，且随温度变化较快。,真空光电管主要由光电阴极和阳极两部分组成，因管内常被抽成真空而称为真空光电管。,一、真空光电管,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,一、真空光电管,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、充气型光电管的工作原理,有时为了使某种性能提高，在管壳内也充入某些低气压惰性气体形成充气型的光电管。,这类管子体积较大，工作电压高达百伏到数百伏，玻璃外壳容易破碎，它的一般应用目前已基本被半导体光电器件代替。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multi
8、ple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,光电倍增管是一种建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转换成光电子，并获得倍增的重要的真空光电发射器件。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,1、光电倍增管的工作原理,光电倍增管主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（1）入射窗结构,光电倍增管按进光的方式分通常有侧窗和端窗两种形式
9、。侧窗型光电倍增管是通过管壳的侧面接收入射光，而端窗式光电倍增管是通过管壳的端面接收入射光。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（1）入射窗结构,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。,侧窗式光电倍增管,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（1）入射窗结构,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。一般半透明光电阴极的灵敏度、均匀性比反射式阴
10、极好，而且阴极面可以做成各种大小。,端窗式光电倍增管,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（1）入射窗结构,1）硼硅玻璃：透射光谱范围从300nm到红外，不适合作紫外辐射窗口材料，能较好地应用于闪烁计数； 2）透紫外玻璃：紫外波段的截止波长约185nm； 3）熔融石英：透紫外波长可达160nm，只能做管子的头； 4）蓝宝石；5）氟化镁。,常用窗口材料,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（2）电子光学系统,二
11、、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（2）电子光学系统,电子光学系统是指光电阴极至第一倍增极之间的区域。电子 光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极组成。,电子光学系统的作用： （1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比； （2）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，保证光电倍增管的快速响应。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结
12、构,（2）电子光学系统,电子收集率0达到85%以上； 渡越时间的离散性t是指阴极面上 各点所发射的光电子达到第一倍增 极上各处时产生的时间差，约为 10ns。,光电阴极,金属导电层,带孔膜片,第一倍增极,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,二次电子发射：具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料 表面将发射新的电子，这种现象称为二次电子发射。,倍增极材料,通常把二次发射的电子数N2与入射的一次电子数N1的比值定 义为倍增极材料的发射系数,二、光电倍增管（PMT，Photo Multipl
13、e Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,二次电子发射步骤： 材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些被激发 电子称为内二次电子； 内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面运动，在运动过 程中因散射而损失能量； 如果达到界面的内二次电子仍有足以克服表面势垒的能量，即逸 出表面成为二次电子。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,二次电子发射与光电发射的区别：二次发射电子的过程由高 能电子的激发材料产生电子发射，而不是光
14、子激发所致。一般光 电发射性能好的材料也具有二次电子发射功能。,倍增极材料,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,常用的倍增极材料有： 锑化铯：在较低的电压下产生较高的发射系数； 氧化银镁合金（AgMgOCs）：可在较强的电流和较高的温度（150度）下工作,倍增极材料,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,光电倍增管中倍增极一般由几级到十五级组成，根据电子轨迹 的形式可分为两类
15、：聚焦型和非聚焦型。,倍增极结构,凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚在下一倍增极上，在 两个倍增极之间可能发生电子束交叉的结构称为聚焦型；非聚焦 型形成的电场只能使电子加速，电子轨迹是平行的。,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管的倍增极分为 六种形式：鼠笼式、瓦片静电聚焦型、盒栅式、百叶窗式、近贴 栅式和微通道板式。,倍增极结构,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、
16、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,倍增极结构,鼠笼式,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,瓦片静电聚焦型,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,盒栅式,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（3）电子倍增极,百叶窗式,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理,2、光电倍增管的结构,（4）阳极,作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输 出电流。对于阳极的结构要求具有较高的电子收集率，能承受较 大的电流密度，阳极的输出电容要小，目前阳极广泛采用栅网状 结构。,1、灵敏度,4.3 光电倍增管的基本特性,(1)阴极灵敏度,光电倍增管阴极电流Ik与入射光
