光电检测器件光电检测器件

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1、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。 常用的光电阴极材料 反射系数大 (约为 99 ) 、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：

2、半导体： 0负电子亲和势阴极 半导体材料广泛用作光电阴极 （ 1）、银氧铯 (电阴极 1、常规光电阴极 峰值波长：350 800光谱响应范围约 300 量子效率约 使用温度 100 C； 暗电流大。 最早的光电阴极，主要应用于近红外探测 （ 2）单碱锑化物： 金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，能形成具有稳定光电发射的发射体。 最常用的是 锑化铯（ 其阴极灵敏度最高，量子效率为 15 25， 蓝光区量子效率高达 30%， 长波限为：600泛用于 紫外和可见光区 的光电探测器中。 光谱响应范围较窄对红光红外不灵敏 外和可见光区的灵敏度最高 （ 3）多碱锑化物： K 实用的光电阴极材料，

3、高灵敏度、宽光谱，红外端延伸 930于宽带光谱测量仪， 扩展到近红外 。 （ 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 (长波限为 化铯 ( 长波限为 m。 响应范围 (100 2802. 负电子亲和势阴极 两个问题： 2. 负电子亲和势阴极 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 101

4、0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 1010对于 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 书 60页） 简称 二、 光电倍增管 电子光学系统 光电倍增管（ 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

5、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。 硼硅玻璃（无钾玻璃） 常用的玻璃材料，可以透过从近 红外至 300不适合于紫外区 的探测。 透紫玻璃（ 很好地透过紫外光 ，和硼硅玻璃一样被广泛使用。分光应用领域一般都要求用透紫玻璃，其 截止波长可接近 185 窗口材料 合成石英 紫外光波长 延伸至 160化镁（镁氟化物） 极好的紫外线透过性， 接近 115 蓝宝石 紫外光波长 延伸至 150 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

6、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 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 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 和阳极 而且相邻两极之间的电压差应使

7、二次发射系数大于 1。这样 ,光阴极发射的电子在 1,产生更多的二次发射电子 ,于是这些电子又在 2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 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

8、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 4、 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 1灵敏度 光电倍增管的灵敏度： ? )= )( K K 单位： 阴极灵敏度 A/A/W 阳极灵敏度 A

9、/ A/W 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。 1）阴极灵敏度测试图 照射到光电阴极上的光通量约为 1010电 子100V 300V 0 V 极光照灵敏度测试 G V E A 100各倍增极和阳极都加上适当电压；注明整管所加的电压 2电流增益 阳极电流与阴极电流之比称为电流增益 M（内增益） )()( 03、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。 4光谱特性 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、暗电流 （ 1）定义：无光照时， （ 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

10、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 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。 6、伏安特性 3 1 2 5 光电检测器件 7、频率响应 响应时间可达 、 一般来说，选 以 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

11、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。 高压供电电路 分压电阻的确定 总电压 1000 1500 增极极间电压 0 100可以确定 分压电阻 压供电电路 分压电阻的确定 实例： 说明： i. 第一级对阴极电流形成影响最大 ,高出 2030V 中间级均匀分配 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 高压供电电路 接地方式 缺点 ：阴极负高压，屏蔽困难

12、，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。 光电倍增管的应用 可见 /近红外分光光度计 光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分能量，称为吸收。利用吸收进行定量分析。为确定样品物质的量， 采用连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度，即可得到被测物质吸收程度，计算出物质的量。 一、 光谱测量 广泛地应用于 微量金属元素的分析 。对应于分析的各种元素，需要专用的元素灯，照射燃烧并雾化分离成原子状态到被测物质上，用光电倍增管检测光被吸收的强度，并与预先得到的标准样品比较。 二、 极微弱光信号的探测 光子计数 现在的光子计数系统，可探测到每秒 10种光子计数系统已 用于生命科学研究中的细胞分类分析 ，它先用荧光物质对细胞进行标记，然后根据这些细胞发出的不同的荧光进行分析，可以分离和捕集不同的细胞。也要求光子计数系统的探测器有足够高的量子效率和很低的噪声。