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1、,光子探测器,M光电增益,输出光电流,光电导探测器：M可以大于1,光电三极管： M102,雪崩光电二极管：M103,？ M106,第05章 光电子发射探测器,Photoemissive detector,简称PE探测器,光 电 管：,光电倍增管：,被半导体光电器件取代,极高灵敏度 106快速响应 pS,应 用：,微弱光信号、快速脉冲弱光信号,也称为真空光电器件,第05章 光电子发射探测器,5.1 光电阴极,5.2 光电管和光电倍增管结构原理,5.3 光电倍增管的主要特性参数,5.4 光电倍增管的工作电路,5.1 光电阴极,具有外光电效应的材料 光电子发射体,光电子发射探测器中的光电子发射体又称
2、为光电阴极,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！,常用的光电阴极材料,反射系数大、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：,半导体：,5.1 光电阴极,常规光电阴极,负电子亲和势阴极,半导体材料广泛用作光电阴极,1、常规光电阴极,（1）AgOCs材料：,（2）单碱锑化物：,（3）多碱锑化物：,（4）紫外光电阴极：,最早的光电阴极 表51 主要应用于近红外探测,CsSb阴极最为常用 表51 紫外和可见光区的灵敏度最高,SbNaKCs 最实用
3、的光电阴极材料，高灵敏度、宽光谱，红外端延伸930nm，用于宽带光谱测量仪,5.1 光电阴极,1、常规光电阴极,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(CsTe)长波限为0.32m,碘化铯(Csl) 长波限为0.2 m。,响应范围(100280nm),5.1 光电阴极,2. 负电子亲和势阴极,Negative Electron Affinity ，简称NEA,5.1 光电阴极,电子亲和势EA真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势,电子亲和势越小，材料发射光电子的能力越强。,真空能级低
4、于 导带底能级？,2. 负电子亲和势阴极,Negative Electron Affinity ，简称NEA,5.1 光电阴极,电子亲和势EA真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势,负电子亲和势,真空能级低于 导带底能级,发射光电子的能力更强,2. 负电子亲和势阴极,Negative Electron Affinity ，简称NEA,5.1 光电阴极,1963年 Simon提出了负电子亲和势（NEA）理论,1965年J.J.sheer和J.V.laar用铯激活砷化镓得到零电子亲和势光电阴极；研制出GaAs-Cs负电子亲和势光电阴极,负电子亲和势材料结构、原理,重掺杂的P型硅表面涂极薄的金属Cs
5、，经过处理形成N型的Cs2O。,2. 负电子亲和势阴极,以Si-Cs2O光电阴极为例,2. 负电子亲和势阴极,P型Si的电子亲和势:,N型Cs2O电子亲和势:,EA1=E0-EC10,EA2=E0-EC20,体内：P型,表面：N型,表面电子，能级Ec1,入射光子,体内电子，能级Ec1,表面逸出电子 E0-Ec1 0,体内有效电子亲和势: EAe=E0-EC10,EA2=E0-EC20,EAe=E0-EC11,5.3 光电倍增管的主要特性参数,电流增益的稳定性：,例如， n912，测量精度1%电源电压稳定度0.1%。,5.3 光电倍增管的主要特性参数,3光电特性,阳极光电流与入射于光电阴极的光通
6、量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。,（1）弱光，例如光谱仪，开狭缝,（2）线性，用于模拟量测量时重要,5.3 光电倍增管的主要特性参数,4光谱特性 （图59和510 ）,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,5.3 光电倍增管的主要特性参数,4光谱特性,近红外光,紫外光,可见光,对比光谱响应范围：,PE探测器,PV探测器,紫外光,可见光,红外远红外光,PC探测器,紫外光,可见光,红外极远红外光,5.3 光电倍增管的主要特性参数,5伏安特性,阴极伏安特性,阳极伏安特性：,光电二极管伏安特性：,恒流源计算和分析方法相同,5.3 光电倍增管的主要特性参数,5伏安特
7、性,阴极伏安特性,阳极伏安特性：,交流微变等效电路,恒流源计算和分析方法相同,5.3 光电倍增管的主要特性参数,6时间特性,5.3 光电倍增管的主要特性参数,三者分别对信号的响应产生什么影响？,6时间特性,5.3 光电倍增管的主要特性参数,器件时间特性 (单位：ns),外电路时间特性 (单位：ns),6时间特性,5.3 光电倍增管的主要特性参数,当电路时间常数较大，倍增管的上限截止频率：,倍增管的响应时间,输出电路的时间常数,9噪声与噪声等效功率,阳极散粒噪声=阴极散粒噪声+各级散粒噪声,阳极（总的）散粒噪声的均方值：,5.3 光电倍增管的主要特性参数,阴极散粒噪声对阳极的贡献：,阳极散粒噪声
8、=阴极散粒噪声+各级散粒噪声,阴极散粒噪声对阳极的贡献：,各级散粒噪声对阳极的贡献：,5.3 光电倍增管的主要特性参数,阳极散粒噪声=阴极散粒噪声+各级散粒噪声,阴极散粒噪声对阳极的贡献：,阳极散粒噪声的均方值：,物理意义：,1.倍增起伏使阳极噪声增大K倍,2. 增大1, 改善信噪比,5.3 光电倍增管的主要特性参数,噪声增强因子,噪声等效功率:,PMT 10-1510-16 W/Hz1/2,PIN PD10-14W/Hz1/2,APD 10-15W/Hz1/2,噪声等效功率计算举例：,CR131 光谱响应范围185900nm；峰值波长400nm阴极最小有效面积824mm2典型增益6106阳极
9、典型暗电流3nA,最大50nA阴极灵敏度250A/LmNEP=5.0610-14Lm/Hz1/2?W/Hz1/2,5.3 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,第05章 光电子发射探测器,5.1 光电阴极,5.2 光电管和光电倍增管的结构原理,5.3 光电倍增管的主要特性参数,5.4 光电倍增管的工作电路,5.4 光电倍增管的工作电路,是保证其正常工作的必要条件，在常用的光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。,工作电路：,高压供电电路,信号输出电路,分压电阻的确定,并联电容的确定,高压电源,接地方式,高压供电电路分压电阻的确定,总电压UAK 在10001500 V之间，倍增极极间电压UD在80100V之间可以确定分压电阻,5.4 光电倍增管的工作电路,IR,IAmax,高压供电电路分压电阻的确定,5.4 光电倍增管的工作电路,实例：,说明：,i. 第一级对阴极电流形成影响最大,高出2030V ii. 中间级均匀分配 iii. 最后一级,要高,克服空间电荷区的影响.,
