光電子發(fā)射探測器

1、關(guān)于光電子發(fā)射探測器第一張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器3.1 光電子發(fā)射效應(yīng)概述：光電子發(fā)射效應(yīng)（外光電效應(yīng)），逸出物質(zhì)表面 的電子叫做光電子。物理基礎(chǔ)：愛因斯坦方程： ：物體的逸出功或功函數(shù) ：物體逸出表面時(shí)的速度一.金屬的光電子發(fā)射圖-1說明金屬能級分布規(guī)律：EF :費(fèi)米能級 EA :表面勢壘的高度，也稱金屬對電子的親和勢。第二張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器情況1：T=0K時(shí)，能量最大電子處于費(fèi)米能級上 (3-1)電子逸出表面的運(yùn)動(dòng)能:當(dāng)各種散射損耗=0時(shí)， 最大，金屬逸出功：代入公式3-1得:此為：T=0K時(shí)，愛因斯

2、坦方程。第三張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器情況2：T0K時(shí):由圖3-1可知，存在高于費(fèi)米能級的電子因此 電子存在， 存在 的一個(gè)拖尾。愛因斯坦方程不再成立！思考：為什么T0時(shí)愛因斯坦方程不成立？特例：常溫時(shí)， 的電子很少，拖尾現(xiàn)象很小，近似認(rèn)為愛因斯坦定律在室溫下是成立的。二、半導(dǎo)體的光電子發(fā)射為什么金屬發(fā)射電子少而半導(dǎo)體易于發(fā)射？第四張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器 表面逸出功高。金屬： 表面反射強(qiáng)，對光輻射的吸收率低。 內(nèi)部存在大量電子，相互碰撞損失能量。 對入射光反射系數(shù)小，吸收系數(shù)大，在長波限就 有電子發(fā)射。 ：趨向

3、表面運(yùn)動(dòng)的過程中 陰極層導(dǎo)電性適中： 損失能量比金屬小；半導(dǎo)體 ：傳導(dǎo)電子的補(bǔ)充不發(fā)生 困難。 半導(dǎo)體中存在著大量的發(fā)射中心（價(jià)帶中有大的 電子密度）。 小的光電逸出功，較高的量子效率。第五張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器半導(dǎo)體中光電子發(fā)射過程：（三步）對光電子的吸收： ：逸出 ：在半導(dǎo)體中，對光電導(dǎo)有貢獻(xiàn)。本征發(fā)射：本征吸收系數(shù)高，量子效率高2030%。光電子：雜質(zhì)發(fā)射：濃度1%，量子效率低，約為1%，吸收系數(shù)低。 自由載流子發(fā)射：微不足道。第六張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器光電子向表面的運(yùn)動(dòng)電子散射可以忽略。晶格散射和光

4、電子與價(jià)帶中電子碰撞。半導(dǎo)體的本征吸收系數(shù)大：，光電子效率越高，630mm深度。避免二次電子空穴對：產(chǎn)生條件：能量是半導(dǎo)體帶隙能量的23倍。選Eg高的半導(dǎo)體，可避免二次發(fā)射?？朔砻鎰菽艿囊莩瞿芰看笥诒砻鎰輭痉瘢勘菊靼雽?dǎo)體：逸出功：第七張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器雜質(zhì)半導(dǎo)體：兩部分能量：電子從發(fā)射中心激發(fā)到導(dǎo)帶所需的最低能量。從導(dǎo)帶底逸出所需的最低能量（電子親和勢）。第八張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器3.2光電子發(fā)射材料純金屬材料有三大類表面吸附一層其他元素的金屬和半導(dǎo)體材料。光電陰極:（光電管，光電倍增管，變像管，像增

5、強(qiáng)管和一些攝像管等）。一、光電陰極的主要參數(shù)1.靈敏度光照靈敏度：（白光靈敏度，積分靈敏度）光電陰極在一定的白光（色溫為2856K的鎢絲燈）照射下，陰極光電流與入射的光通量之比。單位為A/lm。第九張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器色光靈敏度：局部光譜區(qū)域的積分靈敏度在某些特定的波長下，通常用特性已知的濾光片插入光路，然后測得的光電流與未插入濾光片時(shí)陰極所受光照的光通量之比。和光照靈敏度的比值。藍(lán)光靈敏度：QB24 藍(lán)白比紅光靈敏度：HB11 紅白比紅外靈敏度：HWB3 紅外白比圖3-5為濾光片的光譜透射比第十張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光

6、電子發(fā)射探測器光譜靈敏度：表示一定波長的單色輻射照到光電陰極上，陰極光電流與入射的單色輻射通量之比。單位：mA/W,A/W。量子效率：量子產(chǎn)額：一定波長的光子入射到光電陰極時(shí)，該陰極所發(fā)射的光電子數(shù)與入射的光子數(shù)之比值。 和光譜靈敏度間的關(guān)系第十一張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器光譜響應(yīng)曲線：光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關(guān)系曲線。注意：真空光電器件中的光波靈敏度極限主要由光電陰極材料的長波限 決定。實(shí)際上由陰極材料本身的能級和電子親和勢決定。熱電子發(fā)射：定義：光電陰極中有少數(shù)電子的熱能大于光電陰極逸出功，因此產(chǎn)生熱電子發(fā)射。室溫下的典型值：1

7、0-1610-17Acm-2電流密度。作用：引起熱噪聲，限制探測器的靈敏度極限。第十二張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器二、常用光電發(fā)射材料良好光電發(fā)射材料應(yīng)具備的條件：光吸收系數(shù)大；光電子在體內(nèi)傳輸過程中的能量損失?。槐砻鎰輭镜?，使表面逸出幾率大。常見材料的發(fā)射特性：金屬：反射大吸收小碰撞能量損失大逸出功大紫外光能量大，只能做紫外探測器半導(dǎo)體：反射小吸收大碰撞小能量損失少逸出功小可用到近紅外區(qū)第十三張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器(一)銀化銫陰極結(jié)構(gòu)：見圖a。光譜特性：見圖b長波限：1.2m兩個(gè)峰值350nm;800nm。是最

8、早出現(xiàn)的近紅外靈敏器， 具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。缺點(diǎn)：a.靈敏度低：光照靈敏度：30A/lm輻射靈敏度3mA/lm；量子效率在峰值波長處：1%第十四張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器b.熱噪聲大：熱電子發(fā)射密度：10-1110-14A/cm2（室溫）其值超過任何其它光電陰極。c.長期受光照會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞現(xiàn)象，疲勞后光譜響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化。(二)單堿銻化物光電陰極組成：堿金屬與銻，鉛，鉍，鉈等生成的金屬化合物具有極其寶貴的光電發(fā)射性能。CiSb、NaSb、KSb、RbSb、CsSb等。常用的銻銫CsSb陰極性能：量子效率高：藍(lán)光區(qū)、峰值處：30% （比Ag-O-Cs

9、高30倍）第十五張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器可見光區(qū)（積分響應(yīng)度）：70150A/lm長波限： 0.7m左右，對紅外和紅光不靈敏見圖3-7。熱噪聲：熱電子發(fā)射密度10-16A/cm2 優(yōu)于Ag-O-Cs疲勞特性：制作工藝簡單，廣泛用于紫外和可見光。第十六張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器(三)多堿銻化物光電陰極當(dāng)銻和幾種堿金屬形成化合物時(shí)，具有較高的響應(yīng)度，其中有雙堿、三堿、四堿，統(tǒng)稱為多堿光電陰極。 銻鉀鈉 銻鉀鈉銫峰值波長： 0.4 紫外近紅外 850 930nm長波限量子效率： 25% 較高光照靈敏度： 50A/lm

10、150A/lm400 A/lm熱發(fā)射電流密度：10-1710-18A/cm210-1410-16A/cm2光電疲勞效應(yīng)：小微小特點(diǎn)：耐高溫(175OC) 工作穩(wěn)定性好第十七張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器(四)紫外光電陰極1.紫外光輻射能量高量子效率高。2.日盲型光電陰極：要有合適的窗口材料。3.碲化銫CsTe 0.32m碘化銫CsI 0.2 m 100280nm 長波限三、負(fù)電子親和勢材料定義：負(fù)電子親和勢(NEA):半導(dǎo)體表面做特別處理，使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級降到導(dǎo)帶之下，使有效的電子親和勢為負(fù)值。正電子親和勢(PEA):表面的真空能級位于導(dǎo)帶之上。

11、第十八張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器特點(diǎn)前所未有的高靈敏度；長波極限到紅外。工作原理以Si-Cs2O光電陰極材料為例:基底型Si材料表面涂Cs Cs2O 表面形成耗盡層耗盡層電位下降Ed能級彎曲.對于型i半導(dǎo)體，發(fā)射閾值:形成P-N結(jié)合能級彎曲后，P型Si的光電子需克服的有效親和勢為： (基準(zhǔn) ) 親和勢為負(fù)值，說明只要光電子突破禁帶，就能發(fā)射光電子.詳見圖3-8:第十九張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器3.特點(diǎn)量子效率高：負(fù)電子親和勢光電陰極的逸出深度:數(shù)微米.普遍多堿陰極的逸出深度:幾十納米.光譜響應(yīng)延伸到紅外，光譜響應(yīng)率

12、均勻什么叫長波限？ 光子的最小能量必須大于光電發(fā)射閾值或功函數(shù)，否則電子就不會(huì)逸出物質(zhì)表面，這個(gè)最小能量對應(yīng)的波長稱為閾值波長(長波限). (禁帶能級）（禁帶+親和勢）第二十張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器對于正電子親和勢光電陰極：閾值波長：對于負(fù)電子親和勢光電陰極：閾值波長：GaAs光電陰極 ：為1.4eV ：約為890nm。熱電子發(fā)射?。贺?fù)電子親和勢材料本身的禁帶寬度一般比較寬，如果沒有強(qiáng)電場作用，熱電子發(fā)射小 。10-16A/cm2第二十一張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器光電子能量集中光光電陰極光電子入導(dǎo)帶熱化到導(dǎo)帶底發(fā)

13、射由于發(fā)射的光電子的能量基本上是導(dǎo)帶底的能量 能量集中。對提高光電成像器件的空間分辨率和時(shí)間分辨率很有意義。第二十二張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器3-3光電倍增管定義：是一種建立在光電子發(fā)射效應(yīng)，二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的，把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子并獲得倍增的重要的真空光電發(fā)射器件。一、光電倍增管的工作原理 如圖3-10所示1.K：光電陰極 D：聚焦極 光電聚焦系統(tǒng)：電子會(huì)聚成束，并通過膜孔打到第一倍增極D1上。第二十三張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器2.D1D10:倍增極（打拿極） 所加電壓逐級增加（每極約為801

14、50V） 形成二次電子發(fā)射。3. a:收集電子的陰極。二、光電倍增管結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)的要求：1.使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會(huì)聚到D1 提高信噪比。2.使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中有盡可能相等的渡越時(shí)間增加快速響應(yīng)性。 電子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：見圖3-11： (a),(b),(c)。第二十四張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器第二十五張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器光電倍增極：非聚焦型：百葉窗式、 盒一網(wǎng)式。聚焦型： 直列聚焦式、圓形鼠籠聚焦式。三、光電倍增管的基本特性參數(shù)1.靈敏度和光譜響應(yīng)度陰極靈敏度：陽極靈敏度：討論：

15、 值由光電陰極材料決定。光電倍增管光譜響應(yīng)度與光電陰極光譜響應(yīng)度曲線相同。第二十六張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器光電陰極的光譜響應(yīng)度：量子效率：光電陰極的電流光譜響應(yīng)度： :光電倍增管的放大倍數(shù)4.積分光譜響應(yīng)度:陽極積分電流響應(yīng)度為：第二十七張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器2.放電倍數(shù)（電流增益）定義：在一定的電壓下，光電倍增管的陽極電流和陰極電流之比，也即一定電壓下陽極響應(yīng)度和陰極響應(yīng)度的比值。當(dāng)電極間電壓為80150V，倍增極的倍增系數(shù)時(shí)，G近似為：其中：f：第一倍增極對陰極發(fā)射電子的收集率。g: 倍增極間的傳遞效率：

16、聚焦結(jié)構(gòu)g1，非聚焦結(jié)構(gòu)g1。n：倍增極的個(gè)數(shù)。若陰極和倍增極發(fā)射的電子全部被收集則當(dāng)n=914時(shí)，為：105108第二十八張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器3.暗電流無光照射時(shí)，光電倍增管的輸出電流為暗電流。對測量緩慢變化的信號不利，一般為：10-810-9A相當(dāng)于入射光通量 10-1010-13lm影響因素：光電陰極和第一倍增極的熱電子發(fā)射；極間漏電流：由于極間絕緣不夠或灰塵放電；離子和光的反饋?zhàn)饔茫赫婵詹蛔?，殘余氣體碰撞電離；場致發(fā)射：電極的尖角在高壓下放電；放射性同位素和宇宙射線的影響。第二十九張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射

17、探測器減小暗電流的方法：選擇合適的極間電壓；在陽極回路中加上與暗電流相反的直流成分來補(bǔ)償；在倍增輸出電路中加以選頻或鎖相放大濾掉暗電流；利用冷卻法減小熱電子發(fā)射。4.伏安特性：陰極伏安特性：入射光照E一定時(shí)，IK陰極發(fā)射電流與陰極 和第一倍增極之間的電壓的關(guān)系，如圖3-14。陽極伏安特性：E一定時(shí)， Ia與最后一級倍增極之間的電壓 Va的關(guān)系，如圖3-15。第三十張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器感興趣的是陽極伏安特性，可以看作恒流源。5.輸出信號和等效電路圖解法:圖3-16第三十一張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器等效電路 當(dāng)

18、時(shí)，為線性應(yīng)用。對直流通路：對交流通路：第三十二張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器6.線性引起非線性的原因： 空間電荷內(nèi)因：光電倍增管內(nèi)部結(jié)構(gòu)：光電陰極電阻率 聚焦和收集效率變化 信號電流負(fù)載電阻外因：外部高壓供電和信號輸出電路： 負(fù)反饋 電壓再分配解決方法極間電壓保持足夠高；第三十三張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器陰極電阻：（一部分被照射，一部分沒有被照射）；負(fù)載電阻：光電流負(fù)載電阻壓降陽極電壓 用運(yùn)放作電流電壓轉(zhuǎn)換，減小有效負(fù)載電阻；陽極或倍增輸出電流引起電阻鏈中電壓再分配： I電阻壓降 陽極電壓 0解決辦法：電阻鏈中的電流

19、至少應(yīng)大于1000倍的最大陽極電流。7. 穩(wěn)定性陽極電流隨工作時(shí)間的變化，在閃爍計(jì)數(shù)和光度測量中十分重要。長期工作中靈敏度的慢漂移第三十四張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器原因：最后n級倍增極在大量電子轟擊下受損，引起二次發(fā)射系數(shù)變化。滯后效應(yīng)：在光電倍增管加上高壓或開始光照的短時(shí)間內(nèi)，陽極輸出的不穩(wěn)定。解決方法：抗滯后設(shè)計(jì)；老化（不可逆）：光電倍增管的殘余氣體與光電陰極作用，玻璃中的Na離子摻入光電陰極使靈敏度下降； 新的光電倍增管自然老化一段時(shí)間后再使用，使用的陽極電流小一些，可以減緩老化過程。第三十五張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子

20、發(fā)射探測器疲勞：可逆過程 陽極電流 倍增極材料 使用前存放條件靈敏度降低后，在黑暗中放置幾個(gè)小時(shí)再使用可恢復(fù)原狀態(tài).8.時(shí)間特性和 頻率特點(diǎn)上升時(shí)間：10%90% 所用的時(shí)間。渡越時(shí)間：光脈沖到達(dá)光電陰極和陽極輸出最大脈沖電流達(dá)到最大值的時(shí)間間隔定義為光電子的渡越時(shí)間。渡越時(shí)間離散： 函數(shù)光脈沖照到光電陰極的不同區(qū)域，發(fā)射的電子到達(dá)陽極的渡越時(shí)間的不一致性。第三十六張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器9.磁場特性：磁場改變光電子的正常運(yùn)動(dòng)軌跡，引起光電倍增管靈敏度下降，噪聲增加。降低方法：光電倍增管加屏蔽筒，筒長至少是光電倍增管的2倍。10.空間均勻性：由光電陰極

21、表面的均勻性和倍增的結(jié)構(gòu)決定。方法：使光電倍增管前加漫射器；入射光斑均勻；偏振光入射，經(jīng)過漫反射器可以大大降低偏振度，減小偏振誤差。第三十七張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器11.偏振效應(yīng)： 線偏振光以 角入射到光電陰極上面，當(dāng)改變偏振面時(shí)，陽極電流會(huì)發(fā)生變化。解決方法：安裝漫射器以減小這類誤差。12.噪聲：散粒噪聲：陰極電流產(chǎn)生的散粒噪聲 各級倍增極的散粒噪聲設(shè)光電陰極電流：IK,散粒噪聲的均方值：第三十八張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器設(shè)第一倍增極的倍增系數(shù): 設(shè)第二倍增極的倍增系數(shù):第n極倍增管散粒噪聲電流均方值：如設(shè)：

22、，則：第三十九張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器當(dāng) 時(shí)：（由光電倍增管性質(zhì)決定）討論：陽極散粒噪聲均方值和 相等：K-過剩噪聲因子：由于倍增過程的起伏效應(yīng)使陽極散粒噪聲增大K倍 。如果第一級 ，其它均為 ，則： 第四十張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器證明：為了減小 信號電流均方值13.通量閥定義：在光電倍增管輸出端產(chǎn)生的并與固有噪聲電平等效的最小光通量（注意：和一般光電探測器的NEP相應(yīng)）。第四十一張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器光電倍增管的信噪比：當(dāng) 時(shí)，得到不同的噪聲限：散粒噪聲限：背景噪聲限：暗電流噪聲限：第四十二張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 光電子發(fā)射探測器五：光電倍增管的供電和信號輸出電路高壓供電電路圖3-30 光電倍增管分壓電路負(fù)電壓高壓供電可以清除外部信號輸出電路與陽極之間的電位差，所以其輸出光電流可以直接與電流計(jì)或者電流電壓轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器相連。管子玻殼的金屬支架或磁屏蔽筒接地，其與陽極間的高電壓差可引起噪聲。第四十三張，PPT共四十九頁，創(chuàng)作于2022年6月