第3章第11節(jié)光電倍增管新

1、1第三章 光電信息轉(zhuǎn)換 3.1 光電信息轉(zhuǎn)換器件 3.2 光電信息轉(zhuǎn)換集成器件 3.3 光電信息轉(zhuǎn)換組合器件2345一結(jié)構(gòu)與原理一結(jié)構(gòu)與原理光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極等統(tǒng)和陽極等 五個主要部分組成，其外形如圖。五個主要部分組成，其外形如圖。1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)672、工作原理、工作原理光子透過入射窗口入射到光電陰極上光子透過入射窗口入射到光電陰極上光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中光電子通過電場加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍光電子通過電場加速和電子光學(xué)系

2、統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極增極D1上，上， 倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)電子。入射電子經(jīng)N 級倍增極倍增后，光電子就放大級倍增極倍增后，光電子就放大N次。次。經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極A收集起來，形成陽極光收集起來，形成陽極光電流，在電流，在 負(fù)載負(fù)載RL上產(chǎn)生信號電壓。上產(chǎn)生信號電壓。hKAD1D2DnR1R2RnRlV08二組成部分二組成部分1、光窗、光窗 光窗是入射光的通道，是對光吸收較多的部分。通常有側(cè)光窗是入射光的通道，是對光吸收較多的部分。通常有側(cè)窗和端窗兩種，側(cè)窗一般使用反射式光電陰極，而端窗一

3、般使窗和端窗兩種，側(cè)窗一般使用反射式光電陰極，而端窗一般使用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面。用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面。常用的光窗材料有鈉鈣玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英常用的光窗材料有鈉鈣玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟鎂玻璃等。和氟鎂玻璃等。如：硼硅玻璃，其透射光譜范圍從如：硼硅玻璃，其透射光譜范圍從300nm到紅外到紅外 熔融石英，其透紫外波長可達(dá)到熔融石英，其透紫外波長可達(dá)到160nm9102、光電陰極、光電陰極它的作用是接收入射光，向外發(fā)射光電子。制作光電陰極它的作用是接收入射光，向外發(fā)射光電子。制作光電陰極的材料多是化合物半導(dǎo)體，

4、它決定了倍增管光譜特性的長的材料多是化合物半導(dǎo)體，它決定了倍增管光譜特性的長波閾值，同時也決定了整管的靈敏度。波閾值，同時也決定了整管的靈敏度。3、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子光學(xué)系統(tǒng)主要有兩方面的作用：使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能主要有兩方面的作用：使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會聚到第一倍增極上，而將其它部分的雜散熱電子散全部會聚到第一倍增極上，而將其它部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比，一般用電子收集率射掉，提高信噪比，一般用電子收集率 o表示。使陰極面表示。使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越時間盡可能相上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越時間盡可能相等，使渡越時間差異最小，以保證

5、光電倍增管的快速響應(yīng)，等，使渡越時間差異最小，以保證光電倍增管的快速響應(yīng)，一般渡越時間的離散性一般渡越時間的離散性t用表示。用表示。114、倍增系統(tǒng)、倍增系統(tǒng)倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。因此倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關(guān)鍵的部分。（1）二次發(fā)射電子）二次發(fā)射電子具有足夠動能的電子轟擊某些材料時，材料表面將發(fā)射新的電子，種現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射。轟擊材料的入射電子稱為一次電子。（2）倍增極的原理及結(jié)構(gòu)）倍增極的原理及結(jié)構(gòu)124、倍增系統(tǒng)、倍增系統(tǒng)由許多倍增極組成，決定整管靈敏度最關(guān)鍵由許多倍增極組成，決定整管靈敏度最關(guān)鍵部分部

6、分 作用倍增作用倍增 10-1510-15級倍增極級倍增極4、倍增系統(tǒng)、倍增系統(tǒng)入射光照射到光電陰極入射光照射到光電陰極K上，發(fā)射上，發(fā)射光電子光電子，經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)加速，聚焦到倍增極上，發(fā)射出加速，聚焦到倍增極上，發(fā)射出多個二次電子多個二次電子；電子經(jīng)；電子經(jīng)n級級倍增極倍增極，形成放大的陽極電流，在負(fù)載，形成放大的陽極電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生放大的信上產(chǎn)生放大的信號輸出。號輸出。 4、倍增系統(tǒng)、倍增系統(tǒng)15如果每個電子落到某一倍增極上從該倍增極打出如果每個電子落到某一倍增極上從該倍增極打出個二次電個二次電子，那么很明顯地：子，那么很明顯地：niI0式中，式中，I陽極電流；陽極

7、電流；i0 光陰極發(fā)出的光電流；光陰極發(fā)出的光電流；n n光電倍光電倍增極的級數(shù)。增極的級數(shù)。光電倍增管的電流放大系數(shù)光電倍增管的電流放大系數(shù)可用下式表示可用下式表示: : = =0iIn圖為倍增管各電極的連接線路。為簡單起見，圖為倍增管各電極的連接線路。為簡單起見，只畫了四個倍增極。只畫了四個倍增極。倍增系統(tǒng)有聚焦型和非聚焦型兩類。倍增系統(tǒng)有聚焦型和非聚焦型兩類。聚焦型倍增系統(tǒng)倍增極的結(jié)構(gòu)形式有直瓦聚焦型倍增系統(tǒng)倍增極的結(jié)構(gòu)形式有直瓦片式、圓瓦片式；非聚焦倍增系統(tǒng)倍增極片式、圓瓦片式；非聚焦倍增系統(tǒng)倍增極的結(jié)構(gòu)形式有百葉窗式和盒柵式。的結(jié)構(gòu)形式有百葉窗式和盒柵式。16（3 3）倍增極結(jié)構(gòu)）倍

8、增極結(jié)構(gòu)光電倍增管中的倍增極一光電倍增管中的倍增極一般由般由幾級到十五級幾級到十五級組成，組成，光電倍增管按倍增極結(jié)構(gòu)光電倍增管按倍增極結(jié)構(gòu)可分為聚焦型與非聚焦型可分為聚焦型與非聚焦型兩種。兩種。非聚焦型光電倍增管有百非聚焦型光電倍增管有百葉窗型（圖葉窗型（圖a）與盒柵式）與盒柵式（圖（圖b）兩種結(jié)構(gòu)；）兩種結(jié)構(gòu)；聚焦型有瓦片靜電聚焦型聚焦型有瓦片靜電聚焦型（圖（圖c）和圓瓦片式（圖）和圓瓦片式（圖d）兩種結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)。 17倍增極結(jié)構(gòu)形式倍增極結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)特點(diǎn)聚聚焦焦型型直瓦片式直瓦片式極間電子渡越時間零散小，但絕緣支架極間電子渡越時間零散小，但絕緣支架可能積累電荷而影響電子光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)可

9、能積累電荷而影響電子光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。定性。圓瓦片式圓瓦片式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，但靈敏度的均勻性結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，但靈敏度的均勻性差些。差些。非非聚聚焦焦型型百葉窗式百葉窗式工作面積大，與大面積光電陰極配合可工作面積大，與大面積光電陰極配合可制成探測弱光的倍增管，但極間電壓高制成探測弱光的倍增管，但極間電壓高時，有的電子可能越級穿過，收集率較時，有的電子可能越級穿過，收集率較低，渡越時間零散較大。低，渡越時間零散較大。盒柵式盒柵式收集率較高（可達(dá)收集率較高（可達(dá)95%），結(jié)構(gòu)緊湊，），結(jié)構(gòu)緊湊，但極間電子渡越時間零散較大。但極間電子渡越時間零散較大。（3 3）倍增極結(jié)構(gòu)）倍增極結(jié)構(gòu)陽極陽極作用：

10、作用：收集最末一級倍增極發(fā)射出來的二次電子，收集最末一級倍增極發(fā)射出來的二次電子，向外電路輸出電流。向外電路輸出電流。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：具有較高電子收集率，能承受較大電流密度，具有較高電子收集率，能承受較大電流密度，在陽極附近空間不產(chǎn)生在陽極附近空間不產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)空間電荷效應(yīng)。陽極廣泛采用柵。陽極廣泛采用柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。19光電倍增管分類光電倍增管分類 1.按進(jìn)光方式：按進(jìn)光方式： A側(cè)窗式側(cè)窗式 B端窗式；端窗式；20 2.電極工作方式電極工作方式： A透射式透射式 B反射式；反射式； 3.倍增極數(shù)目：倍增極數(shù)目： A單極單極 B多極；多極； 4.倍增極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：倍增極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： A盒狀

11、盒狀 B圓籠式圓籠式 C百葉窗式百葉窗式 D直線瓦片式直線瓦片式 5.光電陰極材料：光電陰極材料：CsSb、Ag-O-Cs、多堿、多堿光電倍增管分類光電倍增管分類三、光電倍增管的主要特性參數(shù)三、光電倍增管的主要特性參數(shù)1 1靈敏度靈敏度 2 2電流增益電流增益3 3光電特性光電特性4 4光譜特性光譜特性5 5伏安特性伏安特性6 6時間特性時間特性7 7暗電流暗電流8 8疲勞特性疲勞特性9 9噪聲噪聲221、光電特性、光電特性陽極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)陽極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關(guān)系，稱為倍增管的光電特性。關(guān)系，稱為倍增管的光電特性。 在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)為直線。當(dāng)

12、在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)為直線。當(dāng)光通量很大時，特性曲線開始光通量很大時，特性曲線開始明顯偏離直線。在工作時陰極明顯偏離直線。在工作時陰極不能有強(qiáng)光照射，否則易損壞不能有強(qiáng)光照射，否則易損壞管子。因它的靈敏度高，光電管子。因它的靈敏度高，光電倍增管允許測量非常小的光通倍增管允許測量非常小的光通量，或所需放大器的級數(shù)可以量，或所需放大器的級數(shù)可以較少。較少。232、光譜特性、光譜特性圖中示出了銻鉀銫圖中示出了銻鉀銫（Sb-K-CsSb-K-Cs）光電）光電陰極的光譜特性，陰極的光譜特性，最靈敏的光譜波長最靈敏的光譜波長約在約在40004000埃處。同埃處。同時還要注意環(huán)境溫時還要注意環(huán)境溫度對光電倍增管

13、光度對光電倍增管光譜相應(yīng)的影響。譜相應(yīng)的影響。243、伏安特性、伏安特性陽極伏安特性定義陽極伏安特性定義為：當(dāng)入射光通量為：當(dāng)入射光通量一定時，陽極電流一定時，陽極電流I Ia a與最后一級倍增與最后一級倍增極和陽極之間電壓極和陽極之間電壓U U的關(guān)系。相應(yīng)于不的關(guān)系。相應(yīng)于不同光通量值的陽極同光通量值的陽極伏安特性示于圖伏安特性示于圖中，中，它表示陽極電流它表示陽極電流I I對于最后一級倍增對于最后一級倍增極和陽極間的電壓極和陽極間的電壓U U的關(guān)系。作此曲線的關(guān)系。作此曲線時，其余各電極的時，其余各電極的電壓保持恒定。電壓保持恒定。254、放大特性、放大特性光電倍增管的電流放光電倍增管的電

14、流放大系數(shù)大系數(shù)或靈敏度隨或靈敏度隨電源電壓電源電壓U U增大的關(guān)增大的關(guān)系，稱為放大特性。系，稱為放大特性。隨著電源電壓升高，隨著電源電壓升高，電子在電場中的速度電子在電場中的速度加快，動能增大，電加快，動能增大，電子在倍增電極中可打子在倍增電極中可打出更多的二次發(fā)射電出更多的二次發(fā)射電子，因而放大系數(shù)或子，因而放大系數(shù)或靈敏度增大。工程上靈敏度增大。工程上有時利用這一性質(zhì)來有時利用這一性質(zhì)來自動調(diào)節(jié)光電倍增管自動調(diào)節(jié)光電倍增管的靈敏度。的靈敏度。265、頻率特性、頻率特性 光電倍增管的頻率特性很好，光電倍增管的頻率特性很好，f f高達(dá)高達(dá)10106 6HZHZ或更高時仍能保持或更高時仍能保

15、持高的靈敏度。高的靈敏度。6、疲乏特性、疲乏特性 光電倍增管在工作過程中靈敏度要降低，其原因是最后幾光電倍增管在工作過程中靈敏度要降低，其原因是最后幾極倍增極的疲勞。曲線極倍增極的疲勞。曲線1 1和和2 2各畫出了相應(yīng)于橫坐標(biāo)所給陽極電各畫出了相應(yīng)于橫坐標(biāo)所給陽極電流流I I值，經(jīng)過值，經(jīng)過2020分鐘和分鐘和4040分鐘后的靈敏度降低的情況。管子工分鐘后的靈敏度降低的情況。管子工作的頭幾分鐘，疲勞得最快，以后疲勞過程就逐漸緩慢了。即作的頭幾分鐘，疲勞得最快，以后疲勞過程就逐漸緩慢了。即使陽極電流非常微弱，還是有疲勞現(xiàn)象，只是靈敏度的降低相使陽極電流非常微弱，還是有疲勞現(xiàn)象，只是靈敏度的降低相

16、當(dāng)慢而已。當(dāng)慢而已。 若測量過程中，陽極電流不超過若測量過程中，陽極電流不超過1 1毫安，則每次測量后，毫安，則每次測量后，把管子放在暗室中幾晝夜，其靈敏度能恢復(fù)到近于初始值。而把管子放在暗室中幾晝夜，其靈敏度能恢復(fù)到近于初始值。而管子的衰老是不可逆的變化管子的衰老是不可逆的變化27287、暗電流、暗電流 光電倍增管的暗電流是指在施加規(guī)定的電壓后，在無光光電倍增管的暗電流是指在施加規(guī)定的電壓后，在無光照情況下測定的陽極電流。在測量微弱光強(qiáng)時，其影響特別照情況下測定的陽極電流。在測量微弱光強(qiáng)時，其影響特別大。大。 暗電流的來源：暗電流的來源： 光電陰極和光電倍增管的熱電子發(fā)射光電陰極和光電倍增管

17、的熱電子發(fā)射 光電倍增管的極間漏電流光電倍增管的極間漏電流 場致發(fā)射場致發(fā)射 減少暗電流的辦法：減少暗電流的辦法： 采用熱電子發(fā)射能力弱的光電陰極和倍增極采用熱電子發(fā)射能力弱的光電陰極和倍增極 采用合適的屏蔽減小自然界中輻射線照射采用合適的屏蔽減小自然界中輻射線照射 致冷致冷 將入射光調(diào)制成一定頻率的周期信號，而輸出電路中加將入射光調(diào)制成一定頻率的周期信號，而輸出電路中加一選頻放大器一選頻放大器29四、四、 光電倍增管的工作電路光電倍增管的工作電路是保證其正常工作的必要條件，在常用的光探是保證其正常工作的必要條件，在常用的光探測器件中，其工作電路是最為復(fù)雜的。測器件中，其工作電路是最為復(fù)雜的。

18、工作電路：工作電路：高壓供電電路高壓供電電路分壓電阻的確定分壓電阻的確定 并聯(lián)電容的確定并聯(lián)電容的確定 高壓電源高壓電源 接地方式接地方式 31四光電倍增管的供電四光電倍增管的供電1、高壓供電、高壓供電 為了使光電倍增管能正常工作，通常需要在陰極為了使光電倍增管能正常工作，通常需要在陰極(K)和和陽極陽極(A)之間加上近千伏的高壓。同時還需要在陰極、聚焦之間加上近千伏的高壓。同時還需要在陰極、聚焦極、倍增極和陽極之間分配一定的極間電壓，保證光電子極、倍增極和陽極之間分配一定的極間電壓，保證光電子能被有效收集，光電流通過倍增極系統(tǒng)得放大。最常用的能被有效收集，光電流通過倍增極系統(tǒng)得放大。最常用的

19、分壓器是采用一組電阻跨接在陰極與陽極之間。分壓器是采用一組電阻跨接在陰極與陽極之間。高壓供電電路分壓電阻的確定高壓供電電路分壓電阻的確定 maxAR2010II總電壓總電壓UAK 在在10001500 V之間，之間，倍增極極間電壓倍增極極間電壓UD在在80100V之之間可以確定間可以確定分壓電阻分壓電阻IRIAmax高壓供電電路分壓電阻的確定高壓供電電路分壓電阻的確定 實(shí)例：實(shí)例：說明：說明：i. 第一級對陰極電流形成影響最大第一級對陰極電流形成影響最大,高出高出2030Vii. 中間級均勻分配中間級均勻分配iii. 最后一級最后一級,要高要高,克服空間電荷區(qū)的影響克服空間電荷區(qū)的影響.高壓供電電路并聯(lián)電容的確定高壓供電電路并聯(lián)電容的確定 探測光脈沖，最后幾級脈沖電流很大，極間電壓不穩(wěn)探測光脈沖，最后幾級脈沖電流很大，極間電壓不穩(wěn)最后幾級并聯(lián)旁路電容最后幾級并聯(lián)旁路電容C1、C2、C3。 MMkntICnA11數(shù)為倍增極的二次發(fā)射系3221CCC35四光電倍增管的供電四光電倍增管的供電2、供電電壓的極性、供電電壓的極性一般的分壓電路中采用陽極接地，負(fù)高壓供電。如圖。一般的分壓電路中采用陽極接地，負(fù)高壓供電。如圖。 這種供電方式的好處：可消除外部信號輸出電路與陽極這