第4章真空光電器件

第四章真空光電器件光電子技術教研室真空光電探測器包括光電管和光電倍增管，是根據(jù)外光電效應原理工作的光電探測器，利用光電陰極在光輻射作用下，向真空中發(fā)射電子，收集這些電子來探測各種光信號。但由于光電子發(fā)射屬于外光電效應，它只適用于測量近紫外、可見和近紅外波段的各種光信號。

真空光電器件有突出的優(yōu)點：易于在管內(nèi)實現(xiàn)快速、高增益、低噪聲的電子倍增易于制取大面積的均勻的光敏面，像元密度大?？傻玫胶芨叩目臻g分辨率，因而廣泛用于探測微弱的光輻射，變化極快的光輻射及要求獲得空間分辨率很高的精密測量和光電成像。4.1光電發(fā)射陰極光電發(fā)射陰極是光電發(fā)射器件的重要部件，它是吸收光子能量發(fā)射光電子的部件，其好壞直接影響整個光電發(fā)射器件的性能。隨著光電器件的發(fā)展，特別是微光夜視器件的發(fā)展，要求在可見光、近紅外、紅外范圍內(nèi)具有較高量子效率的光電發(fā)射材料，從而研制出了目前廣泛應用的各種實用光電陰極及半導體陰極。一、光電陰極的主要特性參數(shù)特性參數(shù)包括：靈敏度，量子效率，光譜效應，暗電流等。1、靈敏度分類：光照靈敏度，色光靈敏度，光譜靈敏度。（1）光照靈敏度：表示光電陰極在一定的白光照射下，陰極光電流與入射的光通量之比。（2）色光靈敏度：局部光譜區(qū)域的積分靈敏度。它表示在某些特定的波長區(qū)，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陰極所受光照的光通量之比。（3）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。2、量子效率表示一定波長的光子入射到光電陰極時，該陰極所發(fā)射的光電子數(shù)與入射的光子數(shù)之比。其實，量子效率和光譜靈敏度是同一個物理量的兩種表達方法。3、光譜響應曲線光電陰極的光譜靈敏度或者量子效率與入射輻射波長的關系曲線，稱為光譜相應曲線。4、熱電子發(fā)射光電陰極中有少數(shù)電子的熱能大于光電陰極逸出功，因而產(chǎn)生熱電子發(fā)射。幾種光電陰極一、銀氧銫(Ag-O-Cs)光電陰極1929年出現(xiàn)Ag-O-Cs光電陰極，近紅外光靈敏，1934年的第一只紅外變象管就使用了Ag-O-Cs，量子效率太低，η<1%，在二戰(zhàn)及朝鮮戰(zhàn)場上使用過。它對可見光和近紅外靈敏，早期在紅外變象管中得到應用，在實用光電陰極中用于紅外探測。1、結構以Ag為基底，氧化銀為中間層，上面再帶有過剩Cs原子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子組成。從光譜響應曲線可看出，它有兩個峰值，一個在紫外區(qū)，短波處略小于4000埃處，一個在紅外區(qū)，8000埃左右，它在整個可見光及近紅外都靈敏，閾波長可達1.2μm。光譜響應極大值處的量子效率不超過1%，它的積分靈敏度，對透射型的半透明陰極來說，一般為30－60μA/lm。Ag-O-Cs陰極還有兩個明顯的缺點：在室溫下熱電子發(fā)射較大，典型值在10-11－10-14A/cm2的范圍內(nèi)，容易疲乏，光強愈強，疲乏愈厲害；光波愈短，疲乏愈嚴重，對紅外線幾乎觀察不到疲乏；陽極電壓增高，疲乏增大；溫度降低，疲乏增大。二、銻銫光陰極自1936年G?lich首先發(fā)現(xiàn)了銻銫光電陰極以來，已有50多年的歷史。由于這種光陰極的工藝和理論比較成熟，所以光電管、光電倍增管中長期以來選用這種光電陰極。銻銫光電陰極的光譜響應在可見光區(qū)，光譜峰值在藍光附近，閾波長截止于紅光，其短波部分的光譜響應可達到105nm的紫外區(qū)。它的靈敏度高比Ag-O-Cs高得多，積分靈敏度為100－150μA/lm，量子效率可達20－30%。暗電流(約10-16A/cm2)和疲乏效應都比Ag-O-Cs陰極小。制備工藝比較簡單，僅由Cs和Sb兩種元素組成，所以Sb-Cs光電陰極是目前理論和工藝方面最成熟的一種光電陰極。三、多堿光電陰極銻銫光電陰極是銻與一種堿金屬的化合物，也可稱為單堿光電陰極。當銻與幾種堿金屬形成化合物時，發(fā)現(xiàn)它具有比銻銫陰極更高的光電靈敏度，其中有雙堿(如Sb-K-Cs,Sb-Rb-Cs等)，三堿的(如Sb-Na-K-Cs)和四堿(如Sb-K-Nb-Rb-Cs)等，二、三堿、四堿光電陰極統(tǒng)稱為多堿光電陰極。(Cs)Na2KSb光電陰極為三種光電陰極最使用的一種。量子產(chǎn)額一般為10%左右，最大可達20%，長波閾延伸到0.93μm，峰值位置在4200埃，積分靈敏度150μA－300μA/lm，靈敏度重復性好，暗電流3×10-16A/cm2。四、負電子親和勢光電陰極前面的幾種光電陰極都屬于正電子親和勢類型，原因：表面的真空能級位于導帶之上。如果給半導體的表面做特殊處理，使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級降到導帶之下，從而使有效的電子親和勢為負值，經(jīng)過這種特殊處理的陰極為負電子親和勢光電陰極（NEA），1965年J.J.Scheer等用Cs（銫）吸附在P型GaAs表面得到了零電子親和勢，后來，又有人用CsO在GaAs上得到了負電子親和勢光電發(fā)射體，其白光靈敏度比當時任何光電發(fā)射材料都高，從此開始了用Cs或CsO激活III-V族化合物而得到一系列負電子親和勢光電陰極的新時期。制造NEA光電陰極。在P型GaAs表面上蒸積單分子層Cs，然后交替蒸O和Cs，形成Cs2O層。GaAs的逸出功4.7eV，禁帶寬度1.4eV，Cs2O是一種n型半導體，它的禁帶寬度約為2eV，逸出功是0.6eV，電子親和勢為0.4eV。負電子親和勢光電陰極與前面幾種正電子親和勢相比的特點：1、量子效率高2、光譜響應延伸到紅外，光譜響應率均勻。3、熱電子發(fā)射小。4、光電子的能量集中。4.2光電管＆光電倍增管光電管與光電倍增管是根據(jù)外光電效應原理工作的光電探測器。它利用光陰極在光輻射作用下向真空中發(fā)射光電子的效應探測各種光信號。因此，這種光電探測器是一個真空光電器件。真空光電器件可以是成像型的，也可以是非成像型的，其基本原理相同。因此有類似的結構，即它們都要有光電陰極，陽極，真空玻殼。一、光電管（1）真空光電管：按照探測的輻射光波段可分為對紫外線靈敏、對可見光靈敏與對紅外線靈敏三種；（2）按光電陰極材料可分為銻銫型，銀氧銫型和銻鉀鈉銫型等；（3）接受光的方式可分為正面受光型與背面受光型兩種。正面受光是指入射光線的方向與發(fā)射電子的方向相反，背面受光則指入射光線的方向與發(fā)射電子的方向一致。故前者采用不透明的反射式陰極，后者采用半透明的透射式陰極。（4）組成：光電陰極K、收集電子的陽極A、玻璃窗、外殼及相應的電極和管腳。（5）原理：當入射光線透過窗口照射到光電陰極上時，根據(jù)外光電效應，光電子就從光電陰極發(fā)射電子到真空中去，在電場的作用下，陽極加正電壓，光電子在兩電極間作加速運動，光電子被具有較高電位的陽極所接收，在陽極回路中可以測出光電流的數(shù)值i，i取決于光照和光照靈敏度，如光照停止，那么陽極電路中也無電流輸出，光電管是一種能把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿墓怆娖骷?。（a）真空光電管（b）中心陰極型（c）半圓柱面陰極光電管

在充氣光電管中，光照產(chǎn)生的光電子在電場的作用下向陽極運動，由于途中與氣體原子碰撞而發(fā)生電離現(xiàn)象，由電離過程產(chǎn)生新的電子與光電子一起都被陽極接收，正離子向反方向運動被陰極接收，因此在陰極電路內(nèi)形成有數(shù)倍于真空光電管的光電流。二、光電倍增管1、結構：光入射窗口、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、倍增極和陽極組成。2、原理：①光子透過入射窗口入射在光電陽極K上；②光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中；③光電子通過電場加速和電子光學系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，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)N級倍增極倍增后，光電子就放大貝次。④經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極P收集起來，形成陽極光電流，在負載上產(chǎn)生信號電壓。倍增極之間電阻的作用為了使光電子能有效地被各個電極收集并通過各倍增板倍增，陰極與第一倍增板、各倍增極之間以及末級倍增極與陽極之間都必須施加一定的電壓。這樣二次電子又被加速聚焦到較高電位的D2上，并獲得進一步倍增。3、入射窗口和光電陰極結構（1）入射窗口和光電陰極結構A、側窗型光電倍增管是通過管殼的側面接收入射光，側窗型光電倍增管一般使用反射式光電陰極，而且大多數(shù)采用鼠籠式倍增極結構（反射式光電陰極）B、而端窗式光電倍增管是通過管殼的端面接收入射光，通常使用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側面，一般半透明光電陰極的靈敏度均勻性比反射式陰極好，而且陰極面可以做成各種大小。C、窗口材料(1)硼硅玻璃(2)透紫外玻璃(3)熔融石英(熔融二氧化硅)(4)藍寶石(5)MgF2

光電倍增管的光譜響應特性主要由窗口材料和光電陰極材料決定，因此在使用時應根據(jù)窗口和陰極材料的待性，選擇相應的管子。（2）電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)主要有兩方面的作用，一、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射掉，提高信噪比。二、是使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學系統(tǒng)中澀越的時間盡可能相等，以保證光電倍增管的快速響應。3．電子倍增極1)二次電子發(fā)射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，這種現(xiàn)象稱為二次電子。轟擊材料的入射電子稱為一次電子，從材料表面發(fā)射出的電子稱為二次電子。不同材料的二次電子發(fā)射能力是不一樣的。為表征材料的這種能力，通常把二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射的一次電子數(shù)N1的比值定義為該材料的二次發(fā)射系數(shù)。二次發(fā)射過程可以分三步來描述：①材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài)，這些被激電子稱為內(nèi)二次電子。②內(nèi)二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運動，在運動過程中因散射而損失能量；③如果到達界面的內(nèi)二次電子仍有足以克服表面勢壘的能量，即逸出表面成為二次電子。當一次電子能量過大，電子穿透材料的有效深度增加；盡管激發(fā)的內(nèi)二次電子數(shù)有所增加，但許多深層的內(nèi)二次電子在逸出過程中，由于碰撞散射面損失能量，結果不能逸出，反而使二次發(fā)射系數(shù)減少。光電倍增管中的二次電子發(fā)射材料要求：①在低的工作電壓下具有大的二發(fā)射系數(shù)值；②熱電子發(fā)射小，③在較高溫度和較大的一次電子密度條件下，發(fā)射系數(shù)保持穩(wěn)定。常用的倍增極材料有：①復雜的半導體型②合金型③負電子親和勢型(2)倍增極結構根據(jù)電子軌跡的型式可分為兩大類，即聚焦型和非聚焦型。凡是由前一倍增極來的電子被加速和會聚在下一倍增極上，在兩個倍增極之間可能發(fā)生電子束交叉的結構休為聚焦型。非聚焦型形成的電場只能使電子加速，電子軌跡都是平行的。根據(jù)電子倍增極的結構形式，目前光電倍增管分成六種形式，①鼠籠式：適宜與光譜儀器的狹縫匹配，特點是結構緊湊，時間響應快②直線聚焦式：是一種聚焦式結構，用于端窗式光電倍增管，特點是時間響應很快，線性好。③盒柵式：用于端窗式光電倍增管。其主要特點是均勻性和穩(wěn)定性較好，但時間響應稍慢一些。④百葉窗式：可以做成探測微弱光輻射的大型光電倍增管。管子的均勻性好，輸出電流大并且穩(wěn)定。主要缺點是某些一次電子可能未經(jīng)倍增，直接穿過倍增極打到下一級的倍增極上，使電于渡越時間的離散性增加。因此響應時間較慢。⑤近貼柵網(wǎng)式：具有極好的均勻性和脈沖線性，抗磁場影響能力強。⑥微通道板式：響應速度極快，抗磁場干擾能力強、線性好。4．陽極它的作用是接收從末級倍增極發(fā)射出的二次電子，通過引線向外輸出電流。對于陽極的結構要求具有較高的電子收集率，能承受較大的電流密度，并且在陽極附近的空間不致產(chǎn)生空間電荷效應。此外，陽極的輸出電容要小，即陽極與末級倍增極及與其它倍增極間的電容要很?。虼四壳瓣枠O廣泛采用柵網(wǎng)狀結構。4-3光電倍增管的特性參數(shù)一、靈敏度包括光譜響應、陰極光照靈敏度和陽極靈敏度。

1、光譜響應陰極的光譜靈敏度取決于光電陰極和窗口的材料性質(zhì)。陽極的光譜靈敏度等于陰極的光譜靈敏度與光電倍增管放大系數(shù)的乘積。2．陰極光照靈敏度若入射到光電陰極面上的光通量為Φ，陰極輸出的光電流為Ik，那么陰極的光照靈敏度為：

Sk＝Ik/Φ3．陽極靈敏度定義為：當光電倍增管加上穩(wěn)定的電源電壓，并工作在線性放大區(qū)域時，陽極輸出電流IA與入射在陰極面上的光通量的比值。

二、放大倍數(shù)在一定的工作電壓下，光電倍增管的陽極信號電流Ip與陰極信號電流Ik的比值，稱作放大倍數(shù)M，也稱電流增益。M＝Ip/Ik

三、暗電流定義：當光電倍增管完全與光照隔絕，在加上工作電壓后陽極仍有電流輸出，輸出電流的直流部分稱為該管的暗電流，即由非光照因素引起的一切電流稱為暗電流。暗電流的存在決定了光電倍增管可測光通量的最小值，是形成噪聲的主要原因。引起暗電流有下列幾方面的因素：①熱發(fā)射光電陰極和倍增極都是低逸出功發(fā)射體，它們在室溫下有熱電子發(fā)射，隨溫度上升而增加，特別是光電陰極和第一倍增極的熱發(fā)射電子，由于經(jīng)過充分放大，成為暗電流的主要部分。要減小熱電子發(fā)射，應選用熱發(fā)射小的陰極材料，并在滿足使用的前提下，盡量減小光電陰極的面積，并降低使用溫度。(2)極間漏電流所謂極間漏電流是指光電倍增管內(nèi)支撐電極的絕緣體(如陶瓷片、玻璃件和芯往等)在高電壓下的歐姆漏電。此外，當管座和玻殼表而被沾污和受湖時也會引起漏電。在正常條件下，極間漏電流小于熱發(fā)射電流。因此在使用光電倍增管時，保證管殼和所有連接件的清潔干燥是十分必要的。

③殘余氣體的離子發(fā)射光電倍增管內(nèi)的殘余氣體可能被光電子電離而產(chǎn)生正離子和電子。電離出來的電子轟擊倍增極所產(chǎn)生的二次電子也被倍增；而正離子被管內(nèi)電場加速而反饋到陰極，并從陰極轟擊次級電子加入信號光電子行列。兩者形成額外的暗電流，這種效應稱為離子發(fā)射。④玻璃閃爍當部分電子偏離正常軌跡打到管壁上時會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，引起暗電流脈沖。為了消除這種形式的暗電流脈沖，可使管子工作在高陽極電壓和陰極接地的供電方式，在玻殼外除敷一層導電層并和陰極相連，能有效地解決玻璃外殼閃爍問題。⑤場致發(fā)射電極上的尖端、毛刺、棱角或加工不當造成的粗糙邊緣在高電壓下產(chǎn)生電子發(fā)射稱為場致發(fā)射。由場致發(fā)射所引起的電流經(jīng)過放大后，可能導致暗電流的急劇增加，致使倍增管工作狀態(tài)極不穩(wěn)定甚至不能工作。為避免這種暗電流的產(chǎn)生，要求加工精細，電極邊做成彎卷狀。從上述暗電流產(chǎn)生的原因可見，它與電源電壓有密切關系。在低電壓時，暗電流由漏電流決定；電壓較高時，主要是熱電子發(fā)射；電壓再大，則導致場致發(fā)射和殘余氣體離子發(fā)射，使暗電流急劇增加，甚至可能發(fā)生自持放電。2．減少昭電流方法(1)直流補償在光電倍增管輸出陽極回路中加上與暗電流方向相反曲直流成分，以補償暗電流的影響。

(2)選頻和鎖相放大將入射光調(diào)制成一定頻率的周期信號，而在光電倍增管的信號輸出電路中加一選題放大器，以濾掉暗電流的直流分量。(3)致冷熱電子發(fā)射是暗電流的主要成分。冷卻光電倍增管可降低從光電陰極和倍增極來的熱發(fā)射電子。(4)電磁屏蔽法將光電倍增管裝在高導磁串的金屬圓筒中，這能有效地防止周圍電磁場的干擾。(5)磁場散焦法當測量過程中用窄光束照射較大的光電陰極時，合理地采用磁場可把那些未被照射的光電陰極邊緣暗電流的電子散射掉；光電倍增管的應用：一、光譜測量

光電倍增管可用來測量輻射光譜在狹窄波長范圍內(nèi)的輻射功率。它在生產(chǎn)過程的控制、元素的鑒定、各種化學分析和冶金學分析儀器中都有廣泛的應用。

二、極微弱光信號的探測——光子計數(shù)光子計數(shù)是測顯微弱輻射最靈敏的一種方法，也是其新的應用領域。與前述的光電流測量方法相比，它具有下列優(yōu)點：由于采用電脈沖計數(shù)技術，降低了對供電電源等的要求．從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；可排除由于直流漏電和輸出零漂等原因造成的測量誤差；光子計數(shù)器的輸出可以是數(shù)字量，也可以是模擬量，便于作進一步的信息處理。

近幾年，生命科學研究受到人們的重視。細胞是生命科學研究的主要對象，對它觀察和分析是一種極微弱的探測技術。先將熒光物質(zhì)對細胞進行標記，然后根據(jù)細胞發(fā)出的不同的熒光進行分析。這種細胞發(fā)出的熒光是極其微弱的，它的強度弱到光子計數(shù)水平，因此要求探測器有足夠高的量子效率和很低的噪聲。三、射線的探測閃爍計數(shù)是最常用也是最有效探測射線粒子的一種方法。它將閃爍晶體與光電倍增管結合在一起，當入射的射線粒子照列閃爍體上時，它產(chǎn)生光輻射并由倍增管接收轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴５谄哒抡婵粘上衿骷婵粘上笃骷鶕?jù)管內(nèi)有無掃描機構粗略地分為象管和攝象管。象管的主要功能是能把不可見光(紅外或紫外)圖象或微弱光圖象通過電子光學透鏡直接轉(zhuǎn)換成可見光圖象。攝象管是一種把可見光或不可見光(紅外、紫外或x射線等)圖象通過電子束掃描后轉(zhuǎn)換成相應的電信號，通過顯示器件再成象的光電成象器件。7－1變象管和象增強器變象管相象增強器統(tǒng)稱為象管，部具有光譜變換和圖象增強的功能。一、像管的結構和工作原理1、結構2、工作原理光電陰極使不可見的亮度很低的輻射象轉(zhuǎn)換成電子圖象，通過熒光屏將電子圖象轉(zhuǎn)換成可見光學圖象。電子光學系統(tǒng)對電子施加很強電場，使電子獲得能量，高速轟擊熒光屏，使熒光屏發(fā)射出強得多的光能。利用電子透鏡能使電子成象的原理將光電陰極發(fā)出的電子圖象呈現(xiàn)在熒光屏上。像管的基本結構有三部分組成：光電陰極、電子光學系統(tǒng)和熒光屏。（1）光電陰極目前最常用的紅外和可見光電陰極有：Ag-O-Cs，用于可見光和紅外波段。Sb-Cs，光電陰極的光譜響應主要在可見光區(qū)。Sb-K-Na-Cs，光電陰極峰值和長波閾均向長波移動負電子親和勢光電陰極：具有更長的長波閾和更高的紅光響應。像管中常用的光電陰極是透射式的。上述陰極已在第二章有所論述。（2）電子光學系統(tǒng)像管中電子光學系統(tǒng)的任務有兩個：加速光電子；使光電子成像在像面上。把能使電子流聚焦成像的電子光學系統(tǒng)稱為電子透鏡。電子透鏡可分為靜電透鏡和磁透鏡兩類。

靜電透鏡即靜電電子光學系統(tǒng)，靠靜電場來使光電子加速，聚焦成像。這種又分為非聚焦型和聚焦型兩種。磁透鏡即電磁復合系統(tǒng)，靠靜電場的加速和磁場來完成聚焦成像。A、非聚焦型

非聚焦型電子光學系統(tǒng)結構的象管比較簡單，它由兩個子行電極(光電陰極和熒光屏)構成，因兩電極距離很近，所以P聚焦型象管又稱近貼式象管。工作時極間加上高電壓，形成縱向均勻電場。均勻電場對光電子只有加速投射作用，沒有聚焦成象作用，所以從光