第四章 真空光電器件

4.1光電管4.2光電倍增管第四章真空光電器件4.1光電管一、概述二、工作原理三、分類四、主要特性五、注意事項概述光電管是依據(jù)光電發(fā)射效應(yīng)而工作的一種光電探測器。其結(jié)構(gòu)原理和偏置電路如圖所示，主要由發(fā)射光電子的光陰極K、收集電子的陽極A和管殼組成。光陽極A陰極K光透射型反射型VRLuAKGD光電管的核心部件是光陰極K，它的光電發(fā)射性能的好壞，在很大程度上決定了光電管工作性能的優(yōu)劣。陽極A起著收集電子的作用，其形狀和位置都經(jīng)過精心設(shè)計。光陽極A陰極K光透射型反射型VRLuAKGD國產(chǎn)光電管的代號用字符GD表示。如果管殼內(nèi)是真空狀態(tài)，就稱為真空光電管。如果管殼內(nèi)充有增益氣體，就稱為充氣光電管。按照接收光輻射的形式又有反射型和透射型光電管之分。工作原理AK正離子電子AK真空光電管工作原理充氣光電管工作原理工作原理當(dāng)入射光線透過光窗照射到光電陰極K上時，光電子就從光電陰極發(fā)射到真空中。在電場的作用下，光電子在極間做加速運動，最后這些電子被具有極高電位的陽極所接受。在陽極電路中可以測出光電流的數(shù)值，光電流的大小主要取決于光照強度與光電陰極的靈敏度。AK真空光電管工作原理由于管殼內(nèi)裝有增益氣體，光電陰極發(fā)射出來的光電子在電場作用下向陽極做加速運動，途中和氣體原子發(fā)生碰撞，形成電子和正離子。電離出來的電子在電場作用下與光電子一起再次使氣體原子電離，如此反復(fù)，使得電子數(shù)目增多，從而有效地增加了電流值，同時正離子也在同一電場作用下，向陰極運動，形成離子電流，其數(shù)值與電子電流相當(dāng)。這樣，在陽極電路內(nèi)就形成了數(shù)倍于真空光電管的光電流。AK充氣光電管工作原理就充氣光電管而言需注意的問題：氣體性質(zhì)：有良好的化學(xué)性質(zhì)氣體壓力：零點幾至幾千兆范圍內(nèi)放大倍數(shù)：用M表示，陽極輸出的光電流IA與陰極光電發(fā)射電流IK之比即分類按光電陰極材料分a、銻銫型b、銀氧銫型c、銻鉀鈉銫型按照光電陰極與陽極位置不同及形狀不同可分為a、中心陰極型b、中心陽極型c、半圓柱面陰極型d、平行平板電極型AK透明的導(dǎo)電膜不透明的金屬層光窗中心陰極型AK中心陽極型優(yōu)點：陽極收集率高缺點：光電陰極面小，受光面積有限，接受的光通量小適用于低照度下測量光電子的初速度優(yōu)點：受光面積大，電子在極間的渡越時間一致，極間電容小，頻率特性好缺點：陽極收集率低AK半圓柱面陰極型優(yōu)點：有利于增加極間的絕緣性，降低漏電缺點：電子運動軌跡較亂AK平行平板電極型優(yōu)點：極間電場均勻，光電子的運動軌跡為直線型，管子能承受較大的工作電流，并能保持良好的的光電線性，收集率高，接受光通量大主要特性光照特性伏安特性頻率特性穩(wěn)定性暗電流與噪聲光照特性P(lm）I1205101520250.20.40.60.813456曲線1、2、3是對真空光電管而言的曲線4、5、6則是充氣光電管情況。不論那一種情況，光電流與光通量在一定范圍內(nèi)呈直線關(guān)系，通常將與直線部分相對應(yīng)的光照量范圍稱為光電管的動態(tài)范圍。真空光電管1,2,3：

1、弱光照射下，可保持光電線性關(guān)系，但會受到暗電流及暗電流的漲落所引起的噪聲的限制；

2、強光照射下，往往發(fā)生線性偏離，這主要是因為陰極發(fā)射過程產(chǎn)生光電疲乏，層內(nèi)補充電子困難，且電流大時層內(nèi)會產(chǎn)生較大的電壓降，影響陽極對飽和光電流的接受。P(lm）I1205101520250.20.40.60.813456充氣光電管4、5、6:內(nèi)陽極電流與光照之間沒有嚴(yán)格的線性關(guān)系，因為其陽極電流不僅取決于陰極發(fā)射的光電子，還有氣體電離的電子及離子。只有在一定條件下，一定的光強范圍內(nèi)，陽極電流與光照之間才有線性關(guān)系。P1P2P3EIP1＞P2＞P3RL1RL2RL3RL1＞RL2＞RL3IE氣壓不同負載不同真空光電管與充氣光電管相比:靈敏度低;線性好;動態(tài)范圍大;真空光電管的穩(wěn)定性更好一些因此在光電測量，光電轉(zhuǎn)換，光電控制中應(yīng)用更多一些。伏安特性從光電管的偏置電路可知，光電管兩端電壓u和流過的電流i之間有關(guān)系:

式中V是偏置電壓(或電源電壓)。u和i之間的變化關(guān)系稱為光電管的伏安特性。VRLuAKGD光電管的偏置電路真空光電管:其伏安特性總會出現(xiàn)飽和區(qū)，當(dāng)陽極電壓為50-100伏時，所有的光電子都到達陽極，電壓再增高，光電流不再增大，光電流開始出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。光電管通常都是工作在飽和區(qū)內(nèi)，也就是說，偏置電壓要高于50-100伏。0100200510150.15lx0.10lx0.05lxU/VI/μA不同光通量的伏安特性0lx無光照時當(dāng)光照功率P=0時，電流i并不為零，稱為暗電流。這說明，光電管并不呈開路狀態(tài)，而具有暗電阻Rd。所以光電管的暗電導(dǎo)g為:因為g值通常是很小的，所以Rd是很大的值．通常說光電管是個高內(nèi)阻元件。0100200510150.15lx0.10lx0.05lxU/VI/μA0lx真空光電管的負載曲線圖VV/RLVRLuAKGD真空光電管的偏置電路i充氣光電管:沒有飽和區(qū)，由圖可知，陽極電壓很低時，管內(nèi)的氣體沒有電離放大作用，陽極電流很小。隨著陽極電壓的升高，管內(nèi)氣體開始電離，陽極電流迅速增大。0100200300510U/VI/μA不同光通量的伏安特性0.31lm0.21lm0.011lm0頻率特性光電管的頻率特性指光電流與入射光頻率之間的關(guān)系曲線，頻率特性的好壞取決于載流子渡越時間，極間電容，光子結(jié)構(gòu)，工作電壓及負載電阻。充氣光電管的惰性比真空光電管的大,充氣光電管的頻率特性不如真空光電管原因：氣體正離子的質(zhì)量遠大于電子，它在極間的渡越時間比電子長的多.穩(wěn)定性光電管具有良好的短期穩(wěn)定性若連續(xù)使用光電管，其靈敏度有下降的趨勢，特別是在強光照射下更是如此

1、開始時靈敏度下降快，后來較慢，最后幾乎保持不變，趨于穩(wěn)定。

2、若把使用過的管子在黑暗環(huán)境中放置一段時間后，其靈敏度可部分或全部得到恢復(fù)，這稱為光電管的疲乏；若不能恢復(fù)，稱為光電管的衰老。光電管的時間穩(wěn)定性取決于光電陰極的疲乏與衰老程度。即光電管的壽命同光電陰極的壽命一致。它與光電陰極的種類，照射光的強弱，入射光的波長有關(guān)。暗電流與噪聲暗電流是不可避免的，尤其在室溫低照度條件下，尤其對真空光電管而言，限制了對弱光的正確測量。因此在弱光檢測中應(yīng)盡量使它工作在溫度低的狀態(tài)。光電管的暗電流主要是由極間漏電及陰極熱發(fā)射所引起的。充氣光電管比真空光電管的噪聲大，由于熱發(fā)射電流也參與氣體電離放大的作用，所以會形成較大的熱發(fā)射噪聲；組成陽極電流的正離子的散粒噪聲也比較大的緣故。注意事項光電管不使用時，應(yīng)存放在黑盒內(nèi)，使用時要求均勻照射光陰極，不允許集中照射光陰極一小部分。環(huán)境溫度要求保持在10—45oC之間。4.2光電倍增管光電倍增管一、工作原理二、結(jié)構(gòu)組成三、主要性能及參數(shù)四、PMT的光電特性五、選擇PMT考慮的因素一、PMT的工作原理KφD1D3D2D4A＋Ｋ

R1R2R3RnRn+1D1D2D3DnARLφPMT的工作原理圖PMT的各電極連接電路圖光電陰極二次電子倍增器二、光電倍增管的結(jié)構(gòu)組成它主要由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極五個主要部分組成。KφD1D3D2D4A1、光窗側(cè)窗式端窗式KK2、光電陰極把光電發(fā)射體鍍在金屬后透明材料上即可制成，起著在光照情況下發(fā)射光電子的作用a、銀氧銫(Ag-O-Cs)光電陰極紅外探測，暗電流大，穩(wěn)定性差，易疲勞及老化b、單堿銻化物光電陰極與a比較而言，暗電流小，疲勞及老化程度小些c、多堿銻化物光電陰極耐高溫，暗電流、疲勞及老化都小但工藝復(fù)雜，成本高d、負電子親和勢光電陰極(NEA)低反射性，高量子效率，暗電流小，但工藝復(fù)雜，成本高3、電子光學(xué)系統(tǒng)概念：光電陰極至第一倍增極之間的區(qū)域收集率高渡越時間一致12帶孔膜片3第一倍增極與光電陰極同電位的金屬筒或鍍在玻璃殼上的金屬導(dǎo)電層電子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖K從陰極中心和邊緣所發(fā)射的光電子到達第一倍增極時所經(jīng)歷的時間差4、電子倍增系統(tǒng)聚焦型：不是指使電子束會聚于一點，而是指電子從前一級倍增極飛向后一級倍增極時，在兩電極間的電子運動軌跡，可能有交叉。非聚焦：在兩電極間的電子運動軌跡是平行的。只對前一倍增級有加速。各種倍增極的結(jié)構(gòu)形式

a)百葉窗式

b)盒柵式

c)直瓦片式

d)圓瓦片式4、電子倍增系統(tǒng)倍增極結(jié)構(gòu)形式特點聚焦型直瓦片式極間電子渡越時間散差小，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)定性。圓瓦片式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，但靈敏度的均勻性差些。非聚焦型百葉窗式工作面積大，與大面積光電陰極配合可制成探測弱光的倍增管，但極間電壓高時，有的電子可能越級穿過，收集率較低，渡越時間零散較大。盒柵式收集率較高（可達95%），結(jié)構(gòu)緊湊，但極間電子渡越時間零散較大。5、陽極陽極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于靠近最末一級倍增極附近，用來收集最末一級倍增極發(fā)射出來的二次電子。一次電子二次電子?xùn)啪W(wǎng)狀陽極陽極結(jié)構(gòu)示意圖三、光電倍增管的主要性能參數(shù)1.靈敏度倍增管靈敏度有陰極靈敏度與陽極靈敏度之分。每一種靈敏度對于入射光，又都有光譜靈敏度（對于單色光）與積分靈敏度（對于多色光或全色光）之分。1、靈敏度靈敏度公式說明陰極靈敏度陰極光譜靈敏度RK(λ)=IKλ/ΦλR：靈敏度λ：波長I：光電流Φ：光通量下標(biāo)K：陰極下標(biāo)A：陽極陰極積分靈敏度RK=IK/Φ陽極靈敏度陽極光譜靈敏度RA(λ)=IAλ/Φλ陽極積分靈敏度RA=IA/Φ2、電流增益M陽極電流與陰極電流之比，或陽極靈敏度與陰極靈敏度之比，即

M=IA/IK=RA/RK若倍增管有n個倍增極，并且每個倍增極的倍增系數(shù)δ均相等，則

M＝δn

因為δ是電壓的函數(shù)，所以M也是電壓的函數(shù)。3、暗電流（1）光電陰極和倍增極的熱電子發(fā)射。此為主要暗電流。實際使用時盡量降低光電陰極的工作溫度。（2）極間漏電流由于各級絕緣強度不夠、極間灰塵放電。措施：盡量保持各電極間的清潔、干燥。（3）離子和光的反饋作用受抽真空技術(shù)的限制，殘余氣體與運動電子碰撞電離，電離的電子經(jīng)放大形成電流。當(dāng)離子打到管壁上產(chǎn)生熒光反射到陰極造成光反饋。措施：采用管外導(dǎo)電層及金屬屏蔽罩。

（4）場致發(fā)射電極上的尖端、棱角、粗糙邊緣在高壓下產(chǎn)生的電子發(fā)射。措施：選擇合適的極間電壓。4、噪聲主要有散粒噪聲和負載電阻的熱噪聲。１、散粒噪聲

原因：光電陰極光電發(fā)射的隨機性；倍增極二次電子發(fā)射的隨機性措施：精心設(shè)計，正確使用可以消除２、負載電阻的熱噪聲（主要噪聲）總的噪聲電流為：5、NEP（靈敏閾）噪聲等效功率（NEP）:

表述倍增管陽極信號與噪聲有效值之比等于1時，入射于倍增管光電陰極的光功率（通量）的有效值。即

IA/InA=1時，NEP=InA/RA四、PMT的光電特性光電倍增管的陽極電流IA與光電陰極接收的光通量之間的關(guān)系。a、線性范圍寬b、非線性：空間電荷效應(yīng)倍增極的疲乏負載過大光電特性伏安特性（1）工作