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1、主讲人:张建寰 教授 单 位:机电工程学院测控技术研究所 联系方式：18959286810 光电技术第七讲上节内容回顾 1、光生伏特器件的组合件 2、光电位置传感器 PSD工作原理、一维PSD、二维PSD 3、光生伏特器件的偏置电路反向偏置、零伏偏置本节内容预告 1、光电倍增管的结构和工作原理 2、光电倍增管的特性 3、光电倍增管的供电电路 4、光电倍增管的应用4.2.2 光电倍增管组成及工作原理光电倍增管(Photomultiplier Tube (PMT) 是一种真空光电发射器件。光入射窗光电阴极电子光学系统倍增极阳极A photomultiplier tube, useful for l
2、ight detection of very weak signals, is a photoemissive device in which the absorption of a photon results in the emission of an electron. These detectors work by amplifying the electrons generated by a photocathode exposed to a photon flux. Photomultipliers acquire light through a glass or quartz w
3、indow that covers a photosensitive surface, called a photocathode, which then releases electrons that are multiplied by electrodes known as metal channel dynodes. At the end of the dynode chain is an anode or collection electrode. Over a very large range, the current flowing from the anode to ground
4、 is directly proportional to the photoelectron flux generated by the photocathode. 工作原理：1.光子透过入射窗口入射在光电阴极上;2.光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中;3.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；4.经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。1）倍增极材料 锑化铯（CsSb）材料具有很好的二次电子发射功能，它可以在较低的电压下产生较高的发射系数，电压 高于400V时
5、的二次发射系数值可高达10倍。 氧化的银镁合金材料也具有二次电子发射功能，它 与锑化铯相比二次电子发射能力稍差些，但它可以工作 在较强电流和较高的温度（150）。 1. PMT的入射窗2. 倍增极4.2.3 光电倍增管的结构铜-铍合金（铍的含量为2%）材料也具有二次电子发射 功能，不过它的发射系数比银镁合金更低些。新发展起来的负电子亲和势材料GaPCs，具有更高 的二次电子发射功能，在电压为1000V时，倍增系数可大 于50或高达200。 （2） 倍增极结构光电倍增管按倍增极结构可分为聚焦型与非聚焦型 两种。非聚焦型光电倍增管有百叶窗型（图4-4（a） 与盒栅式（图4-4（b）两种结构；聚焦型
6、有瓦片静电 聚焦型（图4-4（c）和圆形鼠笼式（图4-4（d）两种 结构。 4.3 光电倍增管的基本特性 4.3.1 灵敏度 1、阴极灵敏度 定义光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量之比 为阴极的光谱灵敏度，并记为 若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，IK与光谱 辐射通量的积分之比，记为Sk GV+HVEA10-510-2lm2、阳极灵敏度 定义光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为 若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa GVHVEA10-1010-6lm 4.3.2 电流放大倍数（增益） 电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性，它不但
7、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 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 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1i 1。倍增极的二次电子发射系数可用经验公式计算，对 于锑化铯（Cs3Sb）倍增极材料有经验公式 对于氧化的银镁合金（AgMgO）材料有经验公式=0.025UDD 对于锑化铯倍增极材料 对银镁合金材料 光电倍增管在电源电压确定
8、后，电流放大倍数可以 从定义出发，通过测量阳极电流Ia与阴极电流Ik确定。 4.3.3 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nA，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： 1. 欧姆漏电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。 2. 热发射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。 降低光电倍增管
9、的温度是减小热发射暗电流的有效方法。 3. 残余气体放电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，它们也将被倍增，形成暗电流。 这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳 定。 4. 场致发射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。显然降低工 作电压场致发射暗电流也将下降。 5. 玻璃壳放电和玻璃荧光当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之 间的电场很强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极电 场最强。在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃 荧光，放电和荧光都要引起暗电流，而且还将严重破坏信 号。因此，在阴极
10、为负高压应用时屏蔽壳与玻璃管壁之间 的距离至少为1020mm。 4.3.4 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。负载电阻的热噪声为 散粒噪声主要由阴极暗电流Id，背景辐射电流Ib以及 信号电流Is的散粒效应所引起的。阴极散粒噪声电流为 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。如第1级输出的散粒噪声电流为 第2级输出的散粒噪声电流为 第n级倍增极输出的散粒噪声电流为 为简化问题，设各倍增极的发射系数都等于（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为 通常在36之间， 接近于1，并且，越大， 越接近于1。光电倍增
11、管输出的散粒噪声电流简化为 总噪声电流为 在设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 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Ra满足 当然，提高光电倍增管的增益（增高电源电压）G，降低阴极暗电流Idk都会减少对阳极电阻Ra的要求，提高光电倍增管的时间响应。 4.3.5 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
12、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。 2. 阳极伏安特性 当入射到光电倍增管阴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)的关系曲线称为阳极伏安特性，图4-7为3组不同强度的光通量的伏安特性。 当阳极电压增大到一定程度后，被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集，阳极电流Ia与入射到阴极面上的光通量成线性关系而与阳极电压的变化无关。 4.3.6 线性 光电倍增管的线性一般由它的阳极伏安特性表示，它是光电测量系统中的一个重要指标。线性不仅与光电倍增管的内部结构有关，还与供电电路及信号输出电路等
13、因素有关。 (1)内因，即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或 收集效率等的变化，(2)外因，光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的 压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分 配都可能破坏输出信号的线性。 4.3.7 疲劳与衰老 光电阴极材料和倍增极材料中一般都含有铯金属。当电子束较强时，电子束的碰撞会使倍增极和阴极板温度升高，铯金属蒸发，影响阴极和倍增极的电子发射能力，使灵敏度下降。甚至使光电倍增管的灵敏度完全丧失。因此，必须限制入射的光通量使光电倍增管的输出电流不得超 过极限值IaM。为防止意外情况发生，应对光电倍增管进行过电流保护，阳极电流一旦超过设定值便自动关断供电电源。 4.4 光电倍
14、增管的供电电路 4.4.1 电阻链分压型供电电路 光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为 首选的光电探测器。 光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应用的情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电 阻分压式供电电路。 如图4-8所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电 路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10级倍增 极提供电压UDD。 1、电阻链的设计 考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的 电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流Ia最大。因此，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当 流过分压电阻的电流IR远远
15、大于Ia时，即 IR Ia时，流 过各分压电阻Ri的电流近似相等。工程上常设计IR大于等 于10倍的Ia电流。 IR10Ia选择的太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高 导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。 选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R R=Ubb/IR 各分压电阻Ri 为而R1应为R1=1.5 Ri 2、电源电压极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数，或 管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设计出极间 供电电压UDD与电源电压Ubb。 由可以计算出UDD与Ubb。3. 末极的并联电容 当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级 倍增极电流变化会引起较
16、大UDD的变化，引起光电倍增管 增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1 、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。 电容C1、C2与C3的计算公式为 式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，为脉冲的 持续时间，UDD为极间电压，L为增益稳定度的百分数。 4.4.3 电源电压的稳定度 可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度 的关系 对锑化铯倍增极 由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkvRL，因此， 输出信号的稳定度与增益的稳定度有关 对银镁合金倍增极 在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。 例4-1
