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1、第二章 光电检测器件第二节 真空光电探测器主要介绍光电倍增管一、光电发射材料1. 光电发射材料一般有： 纯金属 表面吸附其他原子的金属 半导体 2. 良好发光材料所具备的条件： 光吸收系数大 传输中能量损失小，逸出深度大 表面势垒低，逸出几率大二、光电倍增管(PMT) 利用外光电效应和二次电子发射相 结合即把微弱的光输入转化为光电 子，并使光电子获得倍增的一种光 电探测器件。三、光电倍增管实物四、光电倍增管组成 光电倍增管组成 光窗（Input window ) 光电阴极(Photo cathode) 电子光学系统 电子倍增系统(Dynodes) 阳极(Anode)光电倍增管的结构示意图五、光
2、电倍增管的工作原理 光电倍增管（PMT）是利用外光电 效应制成的一种光电探测器件。其 光电转换分为光电发射和电子倍增 两个过程。其工作原理如下图示。、1. 光电倍增管的工作原理原理图分压电路：采用电阻链分压。为使各级电压 稳定，分压电路电流 IR=20 Ia 对于直流：线性分压；对于交流（脉冲）：非线性分压 电压分布不均匀时分压器的设计原则 （1）阴极与第一倍增极间的电压足够高 （2）中间倍增极采用均匀分压。 （3）最后三级倍增极也加较高电压，且并 联3个电容器。六、光电倍增管分类 按进光方式： (a)侧窗式； (b)端窗式。2.按电极工作方式分类：透射、反射 式 3.按倍增极数目分类：单极、
3、多极； 4.按倍增极系统结构分类：聚焦型加速并聚焦：直线瓦片 式、鼠笼式非聚焦型只加速：百叶窗式、 盒栅式 5.按光电阴极材料分类：CsSb、Ag-O- Cs、多碱光电阴极聚焦型直线瓦片式 直线瓦片式 聚焦型鼠笼式 鼠笼式非聚焦型百叶窗式 百叶窗式非聚焦型盒栅式 盒栅式 2、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。对电子光学系统要求 要求： （1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的 会聚到第一倍增极的有效 区域内； （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。3、倍增系统（Dynodes ） 倍增系统：
4、是指由各倍增极构成的 综合系统，各倍增极都是由二次电 子发射体构成。 要求：二次电子发射系数要大 倍增极分类：非聚焦型只加速聚 焦 型加速聚焦 4、阳极 阳极是采用金属网作的栅网状结构 ，把它置于靠近最末一级倍增极附 近，用来收集最末一级倍增极发射 出来的电子。阳极结构示意图 要求： 接收性能良好，尽可能多地 收集电子，工作在较大电流时，不 至于产生空间电荷效应。 输出电容要小七、光电倍增管优缺点 放大倍数很高，用于探测微弱信号； 光电特性的线性关系好； 工作频率高； 性能稳定，使用方便； 供电电压高； 玻璃外壳，抗震性差； 价格昂贵，体积较大；1. 光谱响应度 由（22）式、（220）式，得
5、 Sk()= ik() / PI() =()q)/hc 阳极电流光谱响应度 SA()= Sk()G 2. 放大倍数M（电流增益G）M(或G)=ia/ ik 3. 暗电流Id: 无光照时的输出电流。 引起暗电流的因素：（1）光电阴极和第一倍增极的热电子 发射。 （2）极间漏电流 （3）离子和光的反馈作用 （4）场致发射 （5）放射性同位素和宇宙射线的影响减少暗电流的方法： （1）选好PMT的极间电压（2）在阳极回路加与Id相反的直流补偿 （3）在输出回路加一选频或锁相滤掉Id （4）利用冷却法减少热电子发射4. 伏安特性（又称阳极特性或输出特性 ）5. 时间特性和频率响应 有很高的频率响应，响应
6、时间： 0.23ns 时间特性用两个参数表示： （1）脉冲上升时间tr：脉冲幅度为1时 输出电流从0.1上升到0.9时所需的时 间 （2）脉冲响应宽度（半宽度）：电流 脉冲的半幅值或脉冲前后沿0.5点之间 的时间宽度。 上限截止频率：f上=0.35/ tr (RL= 50) 6. PMT的噪声 主要有散粒噪声和负载电阻的热噪声 散粒噪声：I2Nsh=2qIDKf M2/ (-1) M为放大倍数，为二次电子发射系数 热噪声：I2NT=4kT f/ RL I2NT I2Nsh RL4kT f/ 2qIDKf M2=2kT/ qIDKM2IDK=10-10A，M=105，室温的RL0.0 5 实际的RL 0.0 5， I2Nsh I2NT7. PMT的最小可探测功率Pmin(或NEP) S/N=1 , Ia= IN , Sa= Ia/ k = IN / k Pmin =NEP=k/(S/N=1)= IN /Sa=(2qIDKf M2)1/2/M Sk= (2qIDKf )1/2/ Sk 式中，Sk = Sa/M 为阴极的灵敏度八、光电倍增管使用注意要点 不宜用强光，容易引起疲劳 在额定电压和额定电流内工作 入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺 寸相对应 电场屏蔽和磁屏蔽 测交变光时，负载电阻不宜过大
