第3章-光电阴极与光电倍增管..

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1、知识回顾知识回顾1.1.光电二极管光电二极管 分类分类符号符号接法接法光敏二极管符号光敏二极管符号光敏二极管接法光敏二极管接法 2.2.光电二极管跟普通二极管和光电池的区别光电二极管跟普通二极管和光电池的区别与普通二极管相比与普通二极管相比共同点：共同点：一个一个PNPN结，单向导电性结，单向导电性不同点：不同点：（1 1）受光面大，）受光面大，PNPN结面积更大，结面积更大，PNPN结深度较浅结深度较浅（2 2）表面有防反射的）表面有防反射的SiOSiO2 2保护层保护层（3 3）外加反偏置）外加反偏置与光电池相比与光电池相比共同点：共同点：均为均为PNPN结，利用光伏效应，结，利用光伏效应

2、，SiOSiO2 2保护膜保护膜不同点：不同点：（1 1）结面积比光电池的小，频率特性好）结面积比光电池的小，频率特性好; ;（2 2）光生电势与光电池相同，但电流比光电池小）光生电势与光电池相同，但电流比光电池小; ;（3 3）可在零偏压下工作，常在反偏置下工作。）可在零偏压下工作，常在反偏置下工作。3.3.光电三极管的电流关系及电连接方法光电三极管的电流关系及电连接方法根据共发射极电流关系有：根据共发射极电流关系有： IbIp Ic = Ie = （1+） Ib = （1+） Ip = （1+） ESE4.4.象限探测器象限探测器5.PIN5.PIN光电二极管光电二极管 由于由于I I层比

3、层比PNPN结宽的多，光生电流增大结宽的多，光生电流增大; ; 由于耗尽层变宽，结电容变小；提高响应速度由于耗尽层变宽，结电容变小；提高响应速度； 由于由于I I层电阻率很高，故能承受的电压增大层电阻率很高，故能承受的电压增大; ;OxA6.PSD6.PSD位置传感器位置传感器7 7雪崩光电二极管；雪崩光电二极管；第第3 3章章 光电阴极与光电倍增管光电阴极与光电倍增管 本章主要内容：本章主要内容：3.1 3.1 阴极与阴极电子学阴极与阴极电子学3.2 3.2 外光电效应外光电效应3.2 3.2 光电阴极光电阴极2.32.3光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管l阴极（阴极（CathodeCat

4、hode） 电子器件中发射电子的一极（电子源）电子器件中发射电子的一极（电子源）l阴极电子学阴极电子学 研究：研究： 1 1）电子和离子从固体表面的发射过程）电子和离子从固体表面的发射过程 2 2）粒子）粒子 固体表面相互作用的物理过程固体表面相互作用的物理过程3.1 3.1 阴极与阴极电子学阴极与阴极电子学l 从能带理论浅谈电子发射从能带理论浅谈电子发射 【思考思考】如何使体内电子逸出？如何使体内电子逸出？第一种方式第一种方式第二种方式第二种方式使体内电子逸出的方法：使体内电子逸出的方法：1）增加电子能量）增加电子能量2）削弱阻碍电子逸出的力）削弱阻碍电子逸出的力阴极发射电子（第一种方式）阴

5、极发射电子（第一种方式）阴极发射电子（第一种方式）阴极发射电子（第一种方式）1. 1. 增加电子能量增加电子能量克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出阴极阴极加热加热T T足够高足够高部分电子获得足够能量部分电子获得足够能量（1 1）热电子发射）热电子发射（热阴极）（热阴极）金属金属半导体半导体E =E0-EF阴极发射电子（第一种方式）阴极发射电子（第一种方式）阴极发射电子（第一种方式）阴极发射电子（第一种方式）1. 1. 增加电子能量增加电子能量克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出阴极阴极加热加热T T足够高足够高部分电子获得足够能量部分电子获得足够能量（1 1）热电子发射）热电子发射（热阴极

6、）（热阴极）光辐射光辐射 物体物体 体内电子吸收光量子后逸出体内电子吸收光量子后逸出（2 2）光电子发射）光电子发射（光电阴极）（光电阴极）阴极发射电子（第一种方式）阴极发射电子（第一种方式）阴极发射电子（第一种方式）阴极发射电子（第一种方式）光辐射光辐射 物体物体 体内电子吸收光量子后逸出体内电子吸收光量子后逸出（2 2）光电子发射）光电子发射（光电阴极）（光电阴极）半导体光电子主要发射分三类：半导体光电子主要发射分三类：本征发射：价带电子本征发射：价带电子导带电子导带电子 h hEEC C-E-EV V杂质发射：杂质能级电子杂质发射：杂质能级电子导带电子导带电子 h h E Eg g自由载

7、流子发射：自由载流子自由载流子发射：自由载流子导带电子导带电子 忽略不计忽略不计 半导体光电子主要发射分三步：半导体光电子主要发射分三步：对光子的吸收对光子的吸收电子向表面运动电子向表面运动克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出阴极发射电子（第一种方式）阴极发射电子（第一种方式）阴极发射电子（第一种方式）阴极发射电子（第一种方式）1. 1. 增加电子能量增加电子能量克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出阴极阴极加热加热T T足够高足够高部分电子获得足够能量部分电子获得足够能量（1 1）热电子发射）热电子发射（热阴极）（热阴极）光辐射光辐射 物体物体 体内电子吸收光量子后逸出体内电子吸收光量子后逸出

8、（2 2）光电子发射）光电子发射（光电阴极）（光电阴极）（3 3）次级电子发射）次级电子发射（次级电子发射体）（次级电子发射体） 初始能量电子初始能量电子 轰击物体轰击物体 体内电子获得能量逸出体内电子获得能量逸出2. 2. 降低阻碍电子逸出的力降低阻碍电子逸出的力（4 4）场致发射）场致发射（场发射阴极）（场发射阴极） 固体表面施加强电场固体表面施加强电场 削弱势垒削弱势垒 体内部分电子体内部分电子通过通过隧道效应隧道效应进入真空进入真空量子隧穿示意图量子隧穿示意图IIIIII阴极发射电子（第二种方式）阴极发射电子（第二种方式）阴极发射电子（第二种方式）阴极发射电子（第二种方式）CRTCRT

9、 （Cathode Ray TubeCathode Ray Tube） 和和 FED（ Field Emission Display ）阴极的应用举例阴极的应用举例阴极的应用举例阴极的应用举例阴极射线管（阴极射线管（CRT）CRT（CathodeRayTube）和和 FED（ Field Emission Display ）索尼索尼20102010 被视为继液晶、等离子、OLED之后的第四大平板显示技术场致发射显示器（场致发射显示器（FED）MoSiO2GlassMoSi场发射阵列制作过程场发射阵列制作过程 金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hh足

10、够足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。的物理基础。 3.2 3.2 外光电效应外光电效应 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比：射的光电子数目）与入射光强度成正比：I Ik ：光电流：光电流e e ：光强：光强S Se ：该阴极对入射光线的灵敏度：该阴极对入射光线的灵敏度u 光

11、电发射第一定律光电发射第一定律斯托列托夫定律斯托列托夫定律u 光电发射第二定律光电发射第二定律爱因斯坦定律爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入、光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入、 射光强度无关：射光强度无关： Emax：光电子的最大初动能。：光电子的最大初动能。 h： 普朗克常数。普朗克常数。 0： 产生光电发射的极限频率，频率阈值。产生光电发射的极限频率，频率阈值。 W： 金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的 最低最低 能量），单位能量），单位eV，与材料有关的常数，与材料有关的常数， 也称功函数。也称功函数。Em

12、ax=(1/2)m2max=h- h0 =h- W 入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。光电发射。波长阈值：波长阈值：hWhc/Whc/W=1.24/A0.76m）发射电子，必须寻求低于（？）发射电子，必须寻求低于（？）的低能阈值材料。的低能阈值材料。1.63eV图图 光电子最大动能与入射光频率的关系光电子最大动能与入射光频率的关系0 0W Wmaxmax0(1/2)m2max=h- h0 =h- W为什么会弯曲？3.3 3.3 光电阴极光电阴极 能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电

13、发射体在光电器件中常与阴极相联故称为光电阴极电发射体在光电器件中常与阴极相联故称为光电阴极 。什么是光电阴极？什么是光电阴极？阴极常用的光电阴极材料常用的光电阴极材料反射系数大、吸收系反射系数大、吸收系数小、碰撞损失能量数小、碰撞损失能量大、逸出功大适大、逸出功大适应对紫外灵敏的光电应对紫外灵敏的光电探测器。探测器。 光吸收系数大得多，散光吸收系数大得多，散射能量损失小，量子效射能量损失小，量子效率比金属大得多光率比金属大得多光谱响应：可见光和近红谱响应：可见光和近红外波段。外波段。金属：金属：半导体：半导体：常规光电阴极常规光电阴极负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极 半导体材料广泛用作光电阴极

14、半导体材料广泛用作光电阴极 1.1.灵敏度灵敏度光照灵敏度光照灵敏度色光灵敏度色光灵敏度光谱灵敏度光谱灵敏度灵敏度灵敏度色温色温2856K2856K的钨丝灯的钨丝灯(1)(1)光照灵敏度光照灵敏度 在一定的在一定的白光白光照射下，光电阴极的照射下，光电阴极的光电流与入射的光电流与入射的白光光通量之比白光光通量之比, ,也称白光灵敏度或积分灵敏度。也称白光灵敏度或积分灵敏度。 它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光的光通量之比。的光通量之比。(2) (2) 色光灵敏度色光灵敏度 一般用插入不同的滤光片来获得不同的光谱范围，滤一般用插入不同的滤

15、光片来获得不同的光谱范围，滤光片的透射比不同，它又分别称为光片的透射比不同，它又分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度蓝光灵敏度、红光灵敏度及红外灵敏及红外灵敏。实际上是局部波长范围实际上是局部波长范围的积分灵敏度的积分灵敏度QB:QB:中国青色或兰色玻中国青色或兰色玻璃璃( (德国德国:BG):BG)HB:HB:中国红色玻璃中国红色玻璃 2.2.量子效率量子效率 阴极发射的阴极发射的光电子数光电子数 Ne()与与入射的光子数入射的光子数 Np()之比，之比，称为量子效率称为量子效率:根据定义根据定义: :量子效率和光谱灵敏度之间的关系为量子效率和光谱灵敏度之间的关系为: :式中式中,单位为单位为nm

16、； S()为光谱灵敏度为光谱灵敏度，单位为单位为A/W。 波长一定的单色光照射时，光电阴极发出的光电流波长一定的单色光照射时，光电阴极发出的光电流与入射的单色光通量之比。与入射的单色光通量之比。(3) (3) 光谱灵敏光谱灵敏度度 光电阴极中有一些电子的光电阴极中有一些电子的热能热能有可能大于光电有可能大于光电阴极逸出功，阴极逸出功，因而可产生热电子发射因而可产生热电子发射。室温下典型光电阴极室温下典型光电阴极每秒每平方厘米发射每秒每平方厘米发射的热电子相当于的热电子相当于l0-16 10-17A/cm2的电流密度的电流密度3.3.光谱响应曲线光谱响应曲线 光电阴极的光谱灵敏度与入射光波长的关

17、系光电阴极的光谱灵敏度与入射光波长的关系曲线，称为光谱响应曲线。曲线，称为光谱响应曲线。4.4.暗电流暗电流S()/nm为什么会有峰值？为什么会有峰值？光电阴极一般分为光电阴极一般分为: :透射型与反射型两种透射型与反射型两种。 不透明阴极通常不透明阴极通常较厚，光照射到阴极较厚，光照射到阴极上，光电子从同一面上，光电子从同一面发射出来，所以不透发射出来，所以不透明光电阴极又称为明光电阴极又称为反反射型阴极射型阴极( (二二).).光电阴极的分类光电阴极的分类 透射型阴极通常制作透射型阴极通常制作在透明介质上，光通过在透明介质上，光通过透明介质后入射到光电透明介质后入射到光电阴极上。光电子则从

18、光阴极上。光电子则从光电阴极的另一边发射出电阴极的另一边发射出来，所以透射型阴极又来，所以透射型阴极又称为称为半透明光电阴极。半透明光电阴极。光阳极 A阴极 K光透射型反射型( (三三). ). 常用光电阴极材料常用光电阴极材料 透射型光谱响应透射型光谱响应: : 300nm300nm到到1200nm1200nm，反射型光谱响，反射型光谱响应应: :300m300m到到1100nm1100nm。Ag-O-CsAg-O-Cs光电阴极主要应用于光电阴极主要应用于近红外近红外探测。可见光区域内量子效率低于探测。可见光区域内量子效率低于0.43%0.43%。如。如S-1S-1所示。所示。(1) Ag-

19、O-Cs具有良好的可见和近红外响应。具有良好的可见和近红外响应。350 nm, 800 nm350 nm, 800 nm( (三三). ). 常用光电阴极材料常用光电阴极材料(1) Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。具有良好的可见和近红外响应。(2)单碱锑化合物单碱锑化合物(PEA)量子效率一般高达量子效率一般高达20%20%30%30%，比银比银氧铯光电阴极高氧铯光电阴极高3030多倍。多倍。如如S-4S-4。 金属锑与碱金属锂、钠、钾、铯中的一种构成的化合物，都是金属锑与碱金属锂、钠、钾、铯中的一种构成的化合物，都是能形成具有稳定光电发射的发射材料，能形成具有稳定光电发射的发射材料

20、， CsSbCsSb最为常用，在最为常用，在紫外和紫外和可见光区的灵敏度可见光区的灵敏度最高。最高。( (三三). ). 常用光电阴极材料常用光电阴极材料(1) Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。具有良好的可见和近红外响应。(2)单碱锑化合物单碱锑化合物(PEA)(3)多碱锑化合物多碱锑化合物(PEA) 锑和几种碱金属形成的化合物包括双碱锑材料锑和几种碱金属形成的化合物包括双碱锑材料Sb-Na-KSb-Na-K、Sb-K-Sb-K-CsCs和三碱锑材料和三碱锑材料Sb-Na-K-CsSb-Na-K-Cs等，等，Sb-Na-K-CsSb-Na-K-Cs是最实用的光电阴极材是最实用的光电阴

21、极材料，具有高灵敏度和宽光谱响应，料，具有高灵敏度和宽光谱响应，如如S-20S-20 。其红外端可延伸其红外端可延伸到到930nm930nm，量子效率高于，量子效率高于20 %20 %。适用于宽带光谱测量仪适用于宽带光谱测量仪. .( (三三). ). 常用光电阴极材料常用光电阴极材料(1) Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。具有良好的可见和近红外响应。(2)单碱锑化合物单碱锑化合物(PEA)(3)多碱锑化合物多碱锑化合物(PEA)(4)紫外光电阴极材料紫外光电阴极材料 某些应用，要求光电阴极材料只对所探测的紫外某些应用，要求光电阴极材料只对所探测的紫外辐射灵敏，对可见光无响应。这种材

22、料通常称为辐射灵敏，对可见光无响应。这种材料通常称为“日日盲盲”型光电阴极材料，也称紫外光电阴极材料。目前型光电阴极材料，也称紫外光电阴极材料。目前实用的紫外光电阴极实用的紫外光电阴极碲化铯碲化铯(CsTe)(CsTe)和和碘化铯碘化铯(Csl)(Csl)两种。两种。 长波限为长波限为0.32m长波限为长波限为0.2m( (三三). ). 常用光电阴极材料常用光电阴极材料(1) Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。具有良好的可见和近红外响应。(2)单碱锑化合物单碱锑化合物(PEA)(3)多碱锑化合物多碱锑化合物(PEA)(4)紫外光电阴极材料紫外光电阴极材料 负电子亲和势负电子亲和势材料

23、制作的光电阴极与材料制作的光电阴极与正电子亲和势正电子亲和势材材料光电阴极相比料光电阴极相比, ,具有以下四点特点具有以下四点特点c. 热电子发射小热电子发射小 a.量子效率高量子效率高b. 光谱响应率均匀光谱响应率均匀, ,且光谱响应延伸到红外且光谱响应延伸到红外 d. 光电子的能量集中光电子的能量集中 (5)负电子亲合能材料负电子亲合能材料(NEA)负电子亲和势材料结构、原理负电子亲和势材料结构、原理重掺杂的重掺杂的P型型硅表硅表面涂面涂极薄极薄的金属的金属Cs，经过处理形成，经过处理形成N型型的的Cs2O。 以以Si-Cs2O光电阴极为例光电阴极为例P型型Si的的电子亲和势电子亲和势:N

24、型型Cs2O电子亲和势电子亲和势:EA1=E0-EC10EA2=E0-EC20体内：体内：P型型表面：表面：N型型表面表面电子，电子，能级能级Ec1入射光子入射光子体内体内电子，能级电子，能级Ec1表面逸出电子表面逸出电子E0-Ec1 0体内体内有效有效电子亲和势电子亲和势: : EAe=E0-EC10EA2=E0-EC20EAe=E0-EC10NEA的最大优点：的最大优点： 量子效率比常规发射体高得多量子效率比常规发射体高得多 光电发射过程分析：光电发射过程分析： 热电子热电子受激电子能量受激电子能量超过导带底的电子超过导带底的电子 冷电子冷电子能量恰好等于能量恰好等于导带底的电子导带底的电

25、子 NEANEA量子效率比常规发射体高得多！量子效率比常规发射体高得多！ 2. 2. 负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极NEA的优点：的优点：量子效率比常规发射体高得多量子效率比常规发射体高得多 1 1、量子效率高、量子效率高2 2、阈值波长延伸到红外区、阈值波长延伸到红外区3 3、由于、由于“冷冷”电子发射，能量分电子发射，能量分散小，在成象器件中分辨率极高散小，在成象器件中分辨率极高4 4、延伸的光谱区内其灵敏度均匀、延伸的光谱区内其灵敏度均匀2. 2. 负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极 当负电子亲和势光电阴极受当负电子亲和势光电阴极受光照时，被激发的的电子在光照时，被激发的的电子在导带内很

26、快热化导带内很快热化( (约约1010-12-12s)s)并并落入导带底落入导带底( (寿命达寿命达1010-9-9s)s)。热化电子很容易扩散到能带热化电子很容易扩散到能带弯曲的表面，然后发射出去，弯曲的表面，然后发射出去，所发射光电子的能量基本上所发射光电子的能量基本上都等于导带底的能量。都等于导带底的能量。知识回顾知识回顾1. 1. 阴极，使阴极发射电子的方式？阴极，使阴极发射电子的方式？电子器件中发射电子的一极（电子源）电子器件中发射电子的一极（电子源）知识回顾知识回顾1. 1. 阴极，使阴极发射电子的方式？阴极，使阴极发射电子的方式？2.2. 光电阴极光电阴极 能够产生光电发射效应的

27、物体称为光电发射体能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体(1) Ag-O-Cs：可见和近红外响应：可见和近红外响应, 0.42%(2)单碱锑化合物单碱锑化合物(PEA)：紫外和可见光区，：紫外和可见光区，20%-30%(3)多碱锑化合物多碱锑化合物(PEA)：紫外和可见光区：紫外和可见光区+红外，红外，20%(4)紫外光电阴极材料：日盲型，紫外光电阴极材料：日盲型，碲化铯，碘化铯碲化铯，碘化铯C C(5)负电子亲合能材料负电子亲合能材料(NEA)3.3.作为光电阴极材料，金属和半导体材料的优缺点作为光电阴极材料，金属和半导体材料的优缺点？反射系数大、吸收系反射系数大、吸收系数小、碰撞损失能量

28、数小、碰撞损失能量大、逸出功大适大、逸出功大适应对紫外灵敏的光电应对紫外灵敏的光电探测器。探测器。 光吸收系数大得多，散光吸收系数大得多，散射能量损失小，量子效射能量损失小，量子效率比金属大得多光率比金属大得多光谱响应：可见光和近红谱响应：可见光和近红外波段。外波段。金属：金属：半导体：半导体：知识回顾知识回顾4.4.负电子亲和势材料，特点？负电子亲和势材料，特点？知识回顾知识回顾4.4.负电子亲和势材料，特点？负电子亲和势材料，特点？1 1、量子效率高、量子效率高2 2、阈值波长延伸到红外区、阈值波长延伸到红外区3 3、由于、由于“冷冷”电子发射，能量分电子发射，能量分散小，在成象器件中分辨

29、率极高散小，在成象器件中分辨率极高4 4、延伸的光谱区内其灵敏度均匀、延伸的光谱区内其灵敏度均匀 当负电子亲和势光电阴极受当负电子亲和势光电阴极受光照时，被激发的的电子在光照时，被激发的的电子在导带内很快热化导带内很快热化( (约约1010-12-12s)s)并并落入导带底落入导带底( (寿命达寿命达1010-9-9s)s)。热化电子很容易扩散到能带热化电子很容易扩散到能带弯曲的表面，然后发射出去，弯曲的表面，然后发射出去，所发射光电子的能量基本上所发射光电子的能量基本上都等于导带底的能量。都等于导带底的能量。 本章主要内容：本章主要内容：3.1 3.1 阴极与阴极电子学阴极与阴极电子学3.2

30、 3.2 外光电效应外光电效应3.3 3.3 光电阴极光电阴极3.43.4光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管光电管主要由玻壳光电管主要由玻壳（光窗）、光电阴极（光窗）、光电阴极和阳极三部分组成和阳极三部分组成 PT内可以抽成真空也可内可以抽成真空也可以充入低压惰性气体，有真空以充入低压惰性气体，有真空型和充气型两种。型和充气型两种。( (一一). ). 光电管光电管(PT)(PT)简述真空型和充气型两简述真空型和充气型两种光电管的工作原理种光电管的工作原理? ?工作原理工作原理3.4 3.4 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理光阳极 A阴极 K光透射型反射型0.

31、20.60.40.812520151050564321iP/lmi/uA2015105050 1001502002500.150.10.050(lm)i(uA)u/V( (一一). ). 光电管分类：反射型和透射型光电管分类：反射型和透射型充气型真空型光电倍增管光电倍增管是在光电管的基础上研制出来的一种真空光电器件，在结是在光电管的基础上研制出来的一种真空光电器件，在结构上增加了电子光学系统和电子倍系统，因此极大的提高了检测灵敏度。构上增加了电子光学系统和电子倍系统，因此极大的提高了检测灵敏度。 光电倍增管光电倍增管主要由主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系入射窗口、光电阴极、电

32、子光学系统、电子倍增系统和阳极统和阳极五个主要部分组成。五个主要部分组成。( (二二). ). 光电倍增管光电倍增管( (PMT) )1 1光电倍增管的结构光电倍增管的结构为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增，为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增，阴极与第一倍增极、各倍增极之间以及末级倍增极与阳极阴极与第一倍增极、各倍增极之间以及末级倍增极与阳极之间都必须施加一定的电压之间都必须施加一定的电压。最基本的方法是在阴极和阳极之间加上适当的高压，最基本的方法是在阴极和阳极之间加上适当的高压，阴极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻，使各电极之阴极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻，使各

33、电极之间获得一定的分压间获得一定的分压: :2. PMT2. PMT的工作原理的工作原理 经过倍增后的经过倍增后的二次电二次电子由阳极子由阳极P收集起来收集起来，形形成阳极光电流成阳极光电流Ip，在负载，在负载RL上产生信号电压上产生信号电压0。 光子透过入射窗光子透过入射窗口入射在口入射在光电阴极光电阴极K上上 光电阴极光电阴极K受光照激受光照激发，表面发射光电子发，表面发射光电子 光电子光电子被电子光学系统加速被电子光学系统加速和聚焦后入射到和聚焦后入射到第一倍增极第一倍增极D1上上，将发射出比入射电子数更多的二将发射出比入射电子数更多的二次电子。次电子。入射电子经入射电子经N级倍增后，级

34、倍增后，光电子数就放大光电子数就放大N次次D2D1DnPKUORnRn-1R2R1-HVRL端窗式端窗式侧侧窗窗式式(1).入射窗口入射窗口 侧窗型（侧窗型（sidesideonon）: : 从侧面接收入射光。从侧面接收入射光。 使用使用不透明光阴极（反不透明光阴极（反射式光阴极），数百元一只。射式光阴极），数百元一只。端窗型（端窗型（headheadonon）：）： 从顶部接收入射光。从顶部接收入射光。 入射窗的内表面上沉积了入射窗的内表面上沉积了半透明的光阴极（透过式光阴半透明的光阴极（透过式光阴极），数千元一只。极），数千元一只。a.窗口形式窗口形式 b.b.常用的窗口材料常用的窗口材料

35、 硼硅玻璃硼硅玻璃: :透射范围从透射范围从300nm300nm到到HWHW 透紫外玻璃透紫外玻璃优点优点: :紫外短波透射截止波长可延伸到紫外短波透射截止波长可延伸到250nm250nm 熔融石英熔融石英（二氧化硅）优点（二氧化硅）优点: :在远紫外区有相当好的透过在远紫外区有相当好的透过率，短波截止波长可达到率，短波截止波长可达到160nm160nm 蓝宝石蓝宝石( (AlAl2 2O O3 3晶体晶体) )特点是特点是: :紫外透过率处于熔融石英和透紫外透过率处于熔融石英和透紫外玻璃之间，紫外截止波长可以达到紫外玻璃之间，紫外截止波长可以达到150nm150nm。 PMT常用的窗口材料常

36、用的窗口材料硼硅玻璃硼硅玻璃透紫外玻璃透紫外玻璃熔融石英熔融石英蓝宝石蓝宝石无毒、抗酸、抗碱，用于军事和航空 1) 1) 使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增极上。倍增极上。(2).(2).电子光学系统电子光学系统 电子光学系统电子光学系统: :阴极到倍增系统第一倍增极之间的电极阴极到倍增系统第一倍增极之间的电极空间空间. .包括包括: :光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。 电子光学系统的主要作用有两点电子光学系统的主要作用有两点 2) 2) 使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中使阴极面上各处发

37、射的光电子在电子光学系统中渡越的时间尽可能相等，这样可以保证光电倍增管的快速渡越的时间尽可能相等，这样可以保证光电倍增管的快速响应。响应。 (3)(3)电子倍增极电子倍增极倍增系统倍增系统是由许多倍增极组成，每个倍增极都是由二是由许多倍增极组成，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。次电子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。当具有足够动能的电子轰击倍增极材料时，倍增当具有足够动能的电子轰击倍增极材料时，倍增极表面将发射新的电子。称入射的电子为一次电子，极表面将发射新的电子。称入射的电子为一次电子，从倍增极表面发射的电子为二次电子从倍增极表面发射的电子为二次电子

38、 (a) (a) 二次电子发射原理二次电子发射原理 把二次发射的电子数把二次发射的电子数N N2 2与入射的一次电子与入射的一次电子数数N Nl l的比值定义为该材料的的比值定义为该材料的二次发射系数二次发射系数 什么是一次什么是一次和二次电子和二次电子？增大增大E Ep p，值值反而下降反而下降 随随E Ep p增大增大而增大而增大3) 3) 到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发射到真空中，成为二次电子射到真空中，成为二次电子。二次电子发射过程三个阶段二次电子发射过程三个阶段2) 2) 内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动内二次

39、电子中初速指向表面的那一部分向表面运动1)1) 材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些受激电子称为内二次电子；态，这些受激电子称为内二次电子； 光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类。据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类。 (3)(3)倍增极结构倍增极结构聚焦聚焦不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运

40、动轨迹，可能有交叉。迹，可能有交叉。非聚焦非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的迹是平行的倍增极结构形式倍增极结构形式: : 鼠笼式鼠笼式结构特点：瓦片，沿结构特点：瓦片，沿圆周排列圆周排列性能特点：聚焦性能性能特点：聚焦性能好，增益高好，增益高 光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类。据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类。 (3)(3)倍增极结构倍增极结构聚焦聚焦不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一级倍增极飞向

41、后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨迹，可能有交叉。迹，可能有交叉。非聚焦非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的迹是平行的倍增极结构形式倍增极结构形式: : 鼠笼式鼠笼式结构特点：瓦片，沿结构特点：瓦片，沿轴排列轴排列性能特点：聚焦性能性能特点：聚焦性能好，增益高好，增益高直列式直列式 光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类。据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类。 (3)(3)倍增极结构倍增极结构聚焦聚焦不是

42、指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨迹，可能有交叉。迹，可能有交叉。非聚焦非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的迹是平行的倍增极结构形式倍增极结构形式: : 鼠笼式鼠笼式结构特点：栅网结构特点：栅网+1/4圆柱面，（上下成半圆柱面，（上下成半圆，左右电极翻转圆，左右电极翻转180度），优点：紧凑度），优点：紧凑性能特点：收集效率高，性能特点：收集效率高，聚焦能力差（表聚焦能力差（表面电场弱）面电场弱）直列式直列式盒栅式

43、盒栅式 光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类。据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类。 (3)(3)倍增极结构倍增极结构聚焦聚焦不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨迹，可能有交叉。迹，可能有交叉。非聚焦非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的迹是平行的倍增极结构形式倍增极结构形式: : 鼠笼式鼠笼式结构特点：结构特点

44、：45度平行度平行排列，面积大排列，面积大性能特点：探测微弱信号，性能特点：探测微弱信号，收集率大于收集率大于88%，应用，应用广泛广泛直列式直列式盒栅式盒栅式百叶窗式百叶窗式思考题思考题 1.PMT1.PMT是由哪几部分组成的是由哪几部分组成的? ?并说明其工作原理并说明其工作原理? ? 2.2.什麽是二次电子什麽是二次电子? ?并说明二次电子发射的三个过并说明二次电子发射的三个过程程? ? 3.3.什麽是负电子亲和势光电阴极什麽是负电子亲和势光电阴极? ?它与正电子亲和势它与正电子亲和势光电阴极相比具有哪些优点光电阴极相比具有哪些优点? ? 4.4.什麽是光电阴极什麽是光电阴极? ?倍增级

45、结构形式有几种倍增级结构形式有几种, ,各有哪些各有哪些特点特点? ? 本章结束本章结束在充气光电管中，光电阴极产生的光电子在加速向阳极在充气光电管中，光电阴极产生的光电子在加速向阳极运动中与气体原子碰撞而使后者发生电离，电离产生的新电运动中与气体原子碰撞而使后者发生电离，电离产生的新电子数倍于原光电子，因此在电路内形成数倍于真空光电管的子数倍于原光电子，因此在电路内形成数倍于真空光电管的光电流。光电流。真空光电管的工作原理真空光电管的工作原理当入射的光线从光窗照射到光电阴极上时，后者就发射当入射的光线从光窗照射到光电阴极上时，后者就发射光电子，光电子在电场的作用下被加速，并被阳极收集，形光电子，光电子在电场的作用下被加速，并被阳极收集，形成的光电流的大小主要由阴极灵敏度和光照强度等决定。成的光电流的大小主要由阴极灵敏度和光照强度等决定。