光電技術(shù)-04光電發(fā)射器件

光電發(fā)射器件是基于外光電效應(yīng)的器件，包括真空光電二極管，光電倍增管，變像管，像增強(qiáng)管和真空電子束攝像管等器件。第4章光電發(fā)射器件

真空光電器件光電倍增管光電管缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓高，體積大優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，穩(wěn)定性能好，響應(yīng)速度快和噪聲小微弱輻射的探測(cè)和快速弱輻射脈沖信息的捕捉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。它的性能直接影響著整個(gè)光電發(fā)射器件的性能，為此，首先討論用于制造光電陰極的典型光電發(fā)射材料。

4.1.1光電發(fā)射陰極的主要參數(shù)

定義在單色（單一波長(zhǎng)）輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極輸出電流Ik與單色輻射通量φe,λ之比為光電陰極的光譜靈敏度Se,λ。主要特性參數(shù)：靈敏度、量子效率、光譜響應(yīng)和暗電流等。1.靈敏度－－－光譜靈敏度與積分靈敏度兩種。其量綱為μA/W或A/W(1)

光譜靈敏度Se,λ=Ik/φe,λ

定義在某波長(zhǎng)范圍內(nèi)的積分輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極輸出電流Ik與入射輻射通量φe之比為光電陰極的積分靈敏度Se。量綱為mA/W或A/W(2)

積分靈敏度

在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的“白光”作用于光電陰極時(shí)，光電陰極電流Ik與入射光通量φv之比為光電陰極的白光靈敏度Sv。量綱為mA/lm。2.量子效率

定義在單色輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極發(fā)射單位時(shí)間發(fā)射出去的光電子數(shù)Ne,λ,與入射的光子數(shù)之比為光電陰極的量子效率ηλ（或稱量子產(chǎn)額）。即。

量子效率和光譜靈敏度是一個(gè)物理量的兩種表示方法。它們之間的關(guān)系為

3.光譜響應(yīng)

光電發(fā)射陰極的光譜響應(yīng)特性用光譜響應(yīng)特性曲線描述。光電發(fā)射陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng)。

4.暗電流

光電發(fā)射陰極中少數(shù)處于較高能級(jí)的電子在室溫下獲得了熱能產(chǎn)生熱電子發(fā)射，形成暗電流。光電發(fā)射陰極的暗電流與材料的光電發(fā)射閾值有關(guān)。一般光電發(fā)射陰極的暗電流極低，其強(qiáng)度相當(dāng)于10-16~10-18Acm-2的電流密度。

4.1.2光電陰極材料

銻銫(Cs3Sb)光電陰極是最常用的，量子效率很高的光電陰極。長(zhǎng)波限約為650nm，對(duì)紅外不靈敏。銀氧銫(Ag-O-Cs)陰極是最早使用的高效光陰極。它的特點(diǎn)是對(duì)近紅外輻射靈敏。銀氧銫光電陰極的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線畫它有兩個(gè)峰值，一個(gè)在350nm處，一個(gè)在800nm處。光譜范圍在300nm到1200nm之間。量子效率不高，峰值處約0.5%～1%左右。銀氧銫使用溫度可達(dá)100℃，但暗電流較大，且隨溫度變化較快。

4.2真空光電管與光電倍增管的工作原理

4.2.1真空光電管的原理1.結(jié)構(gòu)－－玻璃管殼、光電陰極和陽極三部分組成。（1）、真空型光電管的工作原理當(dāng)入射光透過真空型光電管的入射窗照射到光電陰極面上時(shí)，光電子就從陰極發(fā)射出去，在陰極和陽極之間形成的電場(chǎng)作用下，光電子在極間作加速運(yùn)動(dòng)，被高電位的陽極收集，其光電流的大小主要由陰極靈敏度和入射輻射的強(qiáng)度決定。

（2）、充氣型光電管的工作原理光生電子在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，途中與惰性氣體原子碰撞而電離，電離又產(chǎn)生新的電子，它與光電子一起都被陽極收集，形成數(shù)倍于真空型光電管的光電流。２.工作原理缺點(diǎn)：體積較大、工作電壓高達(dá)數(shù)百伏，玻璃管殼容易碎優(yōu)點(diǎn)：光電陰極面積大、靈敏度高，一般積分靈敏度可達(dá)20~200μA/lm、暗電流小，最低可達(dá)，光電弛豫時(shí)間極短。4.2.2光電倍增管的原理

光電倍增管（Photo-multipletube簡(jiǎn)稱為PMT）是一種真空光電發(fā)射器件，組成如下：光入射窗光電陰極電子光學(xué)系統(tǒng)倍增極陽極１.基本原理（１）光子透過入射窗口入射到光電陰極；（２）光電陰極上的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中；（３）光電子通過電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增級(jí)上，倍增級(jí)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(jí)倍增后，光電子就放大Ｎ次；（４）經(jīng)過倍增后的二次電子被陽極收集，形成陽極電流。端窗式的陰極做成半球狀？

２.光電倍增管的結(jié)構(gòu)（１）PMT的入射窗結(jié)構(gòu)－－端窗式、側(cè)窗式a:陰極面各處的靈敏度均勻，受光面均勻；b:球面形狀的陰極面所發(fā)出的電子經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)匯聚到第一倍增極的時(shí)間散差最小，光電子能有效的被收集到第一倍增極銻化銫（CsSb）材料具有很好的二次電子發(fā)射功能，它可以在較低的電壓下產(chǎn)生較高的發(fā)射系數(shù)，電壓高于400V時(shí),δ值可高達(dá)10倍。

氧化的銀鎂合金材料也具有二次電子發(fā)射功能，它與銻化銫相比二次電子發(fā)射能力稍差些，但它可以工作在較強(qiáng)電流和較高的溫度（150℃）。

1）材料：(2)倍增極結(jié)構(gòu)銅-鈹合金（鈹?shù)暮繛?%）材料也具有二次電子發(fā)射功能，不過它的發(fā)射系數(shù)δ比銀鎂合金更低些。2）倍增極結(jié)構(gòu):--------聚焦型與非聚焦型非聚焦型----百葉窗型與盒柵式盒柵式聚焦型----瓦片靜電聚焦型和圓形鼠籠式4.3光電倍增管的基本特性

1.靈敏度

(1)陰極靈敏度

單色波入射，光電倍增管陰極電流Ik與入射光譜輻射通量之比稱為陰極靈敏度

白光入射，光電倍增管陰極電流IK與光譜輻射通量的積分之比稱為陰極積分靈敏度，記為Sk

(2)陽極靈敏度

定義光電倍增管陽極輸出電流Ia與入射光譜輻射通量之比為陽極光譜靈敏度，并記為

白光入射，則定義為陽極積分靈敏度，記為Sa

2.電流放大倍數(shù)（增益）

電流放大倍數(shù)表征了光電倍增管的內(nèi)增益特性，它不但與倍增極材料的二次電子發(fā)射系數(shù)δ有關(guān)，而且與光電倍增管的級(jí)數(shù)N有關(guān)。（2）當(dāng)考慮到光電陰極發(fā)射出的電子被電子電子光學(xué)系統(tǒng)所收集，其收集系數(shù)為，且每個(gè)倍增極的收集系數(shù)都為，因此，增益G應(yīng)修正為

（1）理想光電倍增管的增益G與電子發(fā)射系數(shù)δ的關(guān)系為

對(duì)于非聚焦型光電倍增管的η1近似為90%，ηi要高于η1

，但小于1；對(duì)于聚焦型的，尤其是在陰極與第1倍增極之間具有電子限束電極F的倍增管，其η1≈ηi≈1，這個(gè)時(shí)候可以當(dāng)理想光電倍增管。

（3）二次電子發(fā)射系數(shù)δ的經(jīng)驗(yàn)公式：

氧化的銀鎂合金（AgMgO[Cs]）材料

δ=0.025UDD

（4）增益銻化銫倍增極材料

銀鎂合金材料

銻化銫（Cs3Sb）倍增極材料

3.暗電流

光電倍增管在無輻射作用下的陽極輸出電流稱為暗電流，記為ID。光電倍增管的暗電流值在正常應(yīng)用的情況下是很小的，一般為~A，是所有光電探測(cè)器件中暗電流最低的器件。

影響暗電流的主要因素：

歐姆漏電熱發(fā)射殘余氣體放電場(chǎng)致發(fā)射玻璃殼放電和玻璃熒光(1).歐姆漏電電倍增管的電極之間玻璃漏電、管座漏電和灰塵漏電等。歐姆漏電通常比較穩(wěn)定，對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)小。在低電壓工作時(shí)，歐姆漏電成為暗電流的主要部分。

(2).熱發(fā)射由于光電陰極材料的光電發(fā)射閾值較低，容易產(chǎn)生熱電子發(fā)射，即使在室溫下也會(huì)有一定的熱電子發(fā)射，并被電子倍增系統(tǒng)倍增。這種熱發(fā)射暗電流將對(duì)低頻率弱輻射光信號(hào)的探測(cè)影響嚴(yán)重。在光電倍增管正常工作狀態(tài)下，是暗電流的主要成分。

降低光電倍增管的溫度是減小熱發(fā)射暗電流的有效方法。

(3).殘余氣體放電光電倍增管中高速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)使管中的殘余氣體電離，產(chǎn)生正離子和光子，它們也將被倍增，形成暗電流。這種效應(yīng)在工作電壓高時(shí)特別嚴(yán)重，使倍增管工作不穩(wěn)定。

(4).場(chǎng)致發(fā)射光電倍增管的工作電壓高時(shí)還會(huì)引起管內(nèi)電極尖端或棱角的場(chǎng)強(qiáng)太高產(chǎn)生的場(chǎng)致發(fā)射暗電流。顯然降低工作電壓場(chǎng)致發(fā)射暗電流也將下降。

(5).玻璃殼放電和玻璃熒光當(dāng)光電倍增管負(fù)高壓使用時(shí)，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場(chǎng)很強(qiáng)，尤其是金屬屏蔽層與處于負(fù)高壓的陰極電場(chǎng)最強(qiáng)。在強(qiáng)電場(chǎng)下玻璃殼可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象或出現(xiàn)玻璃熒光，放電和熒光都要引起暗電流，而且還將嚴(yán)重破壞信號(hào)。因此，在陰極為負(fù)高壓應(yīng)用時(shí)屏蔽殼與玻璃管壁之間的距離至少為10~20mm。

4.噪聲

組成：

（2）散粒噪聲：

陰極暗電流Idk（熱電子發(fā)射）

背景輻射電流Ibk（光電流）

信號(hào)電流Isk的散粒效應(yīng)所引起的噪聲。（1）負(fù)載電阻的熱噪聲：散粒噪聲和負(fù)載電阻的熱噪聲散粒噪聲電流將被逐級(jí)放大，并在每一級(jí)都產(chǎn)生自身的散粒噪聲。每一個(gè)倍增極輸出的散粒噪聲電流如下:第2級(jí)第n級(jí)第1級(jí)第3級(jí)如果第N級(jí)總噪聲電流

設(shè)計(jì)要求：＜＜設(shè)G=104，陰極暗電流Idk=10-14A，室溫T=300K，只要陽極負(fù)載電阻Ra滿足

當(dāng)然，提高光電倍增管的增益（增高電源電壓）G，降低陰極暗電流Idk都會(huì)減少對(duì)陽極電阻Ra的要求，提高光電倍增管的時(shí)間響應(yīng)。

5.伏安特性

(1).陰極伏安特性

當(dāng)入射到光電倍增管陰極面上的光通量一定時(shí)，陰極電流Ik與陰極和第一倍增極之間電壓(簡(jiǎn)稱為陰極電壓Uk)的關(guān)系曲線稱為陰極伏安特性，

圖4為不同光通量下測(cè)得的陰極伏安特性。從圖中可見，當(dāng)陰極電壓較小時(shí)陰極電流Ik隨Uk的增大而增加，直到Uk大于一定值(幾十伏特)后，陰極電流Ik才趨向飽和，且與入射光通量φ成線性關(guān)系。

(2).陽極伏安特性

當(dāng)入射到光電倍增管陽極面上的光通量一定時(shí)，陽極電流Ia與陽極和末級(jí)倍增極之間電壓(簡(jiǎn)稱為陽極電壓Ua)的關(guān)系曲線稱為陽極伏安特性，圖4-7為3組不同強(qiáng)度的光通量的伏安特性。

當(dāng)陽極電壓增大到一定程度后，被增大的電子流已經(jīng)能夠完全被陽極所收集，陽極電流Ia與入射到陰極面上的光通量φ成線性關(guān)系而與陽極電壓的變化無關(guān)。

6.線性

光電倍增管的線性一般由它的陽極伏安特性表示；也可以用陽極電流與入射到光電陰極上的光通量之間的關(guān)系表示。它是光電測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)重要指標(biāo)。線性與光電倍增管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、供電電路及信號(hào)輸出電路等因素有關(guān)。

以偏離線性3%為界限內(nèi)因：

空間電荷、光電陰極的電阻率、聚焦或收集效率等的變化，（2）外因：光電倍增管輸出信號(hào)電流在負(fù)載電阻上的壓降對(duì)末級(jí)倍增極電壓產(chǎn)生負(fù)反饋和電壓的再分配都可能破壞輸出信號(hào)的線性。

7.疲勞與衰老

光電陰極材料和倍增極材料中一般都含有銫金屬。當(dāng)電子束較強(qiáng)時(shí)，電子束的碰撞會(huì)使倍增極和陰極板溫度升高，銫金屬蒸發(fā)，影響陰極和倍增極的電子發(fā)射能力，使靈敏度下降。甚至使光電倍增管的靈敏度完全喪失。因此，必須限制入射的光通量使光電倍增管的輸出電流不得超過極限值IaM。為防止意外情況發(fā)生，應(yīng)對(duì)光電倍增管進(jìn)行過電流保護(hù)，陽極電流一旦超過設(shè)定值便自動(dòng)關(guān)斷供電電源。

4.4光電倍增管的供電電路

1電阻鏈分壓型供電電路

光電倍增管具有極高的靈敏度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，使它在光譜探測(cè)和極微弱快速光信息的探測(cè)等方面成為首選的光電探測(cè)器。

光電倍增管的供電電路種類很多，可以根據(jù)應(yīng)用的情況設(shè)計(jì)出各具特色的供電電路。本節(jié)介紹最常用的電阻分壓式供電電路。

如圖4-8所示為典型光電倍增管的電阻分壓式供電電路。電路由11個(gè)電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器，分別向10級(jí)倍增極提供電壓UDD。電阻鏈分壓器中流過每級(jí)電阻的電流并不相等，但是，當(dāng)流過分壓電阻的電流IR遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ia時(shí)，即IR＞＞

Ia時(shí)，流過各分壓電阻Ri的電流近似相等。工程上常設(shè)計(jì)IR大于等于10倍的Ia電流。

IR≥10Ia

（1）、電阻鏈的設(shè)計(jì)

R=Ubb/IR選R1R1=1.5Ri各分壓電阻Ri：總電阻R9、R10、R11也應(yīng)該適當(dāng)取大些，并且不相等；中間幾級(jí)根據(jù)增益需求選擇，一般均分（2）電源電壓極間供電電壓UDD直接影響著二次電子發(fā)射系數(shù)δ，或管子的增益G。因此，根據(jù)增益G的要求可以設(shè)計(jì)出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。

由可以計(jì)算出UDD與Ubb。一般Ubb：（1000~1500V）一般UDD：（80~100V）2末極的并聯(lián)電容當(dāng)入射輻射信號(hào)為高速的迅變信號(hào)或脈沖時(shí)，末3級(jí)倍增極電流變化會(huì)引起較大UDD的變化，引起光電倍增管增益的起伏，將破壞信息的變換。在末3極并聯(lián)3個(gè)電容C1、C2與C3，通過電容的充放電過程使末3級(jí)電壓穩(wěn)定。(1)電容C1的計(jì)算

設(shè)陽極脈動(dòng)電流是矩形脈沖，幅度為Iam，脈沖寬度為τ電量變化為：如果這個(gè)變化是由電容提供的，則電容上的電壓變化量為：如果有：就不會(huì)因陽極有脈動(dòng)而使極間電壓變化超過允許值。銻化銫（例）：銀鎂合金：（2）電容C2、C3的計(jì)算

3電源電壓的穩(wěn)定度

銻化銫倍增極

銀鎂合金倍增極

（1）電流穩(wěn)定度（2）輸出信號(hào)的穩(wěn)定度輸出信號(hào)：Uo=GSkφvRa銻化銫倍增極

銀鎂合金倍增極

在實(shí)際應(yīng)用中常常對(duì)電源電壓穩(wěn)定度的要求簡(jiǎn)單地認(rèn)為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，當(dāng)要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時(shí)，則要求電源電壓穩(wěn)定度應(yīng)高于0.1%。

例4-1設(shè)入射到PMT上的最大光通量為φv=12×10-6lm左右，當(dāng)采用GDB-235型倍增管為光電探測(cè)器，已知它的倍增級(jí)數(shù)為8級(jí)，陰極為SbCs材料，倍增極也為SbCs材料，SK=40μA/lm，若要求入射光通量在6×10-6lm時(shí)的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設(shè)計(jì)該P(yáng)MT的變換電路。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%，試問該P(yáng)MT變換電路輸出信號(hào)的穩(wěn)定度最高能達(dá)到多少？解(1)首先計(jì)算供電電源的電壓根據(jù)題目對(duì)輸出電壓幅度的要求和PMT的噪聲特性，可以選擇陽極電阻Ra=82kΩ，陽極電流應(yīng)不小于Iamin，因此Iamin=UO/Ra=0.2V/82kΩ=2.439μA入射光通量為0.6×10-6lm時(shí)的陰極電流為

IK=SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA此時(shí)，PMT的增益G應(yīng)為

由于G=，N=8，因此，每一級(jí)的增益δ=4.227，另外，SbCs倍增極材料的增益δ與極間電壓UDD有，，可以計(jì)算出δ=4.227時(shí)的極間電壓UDD

總電源電壓Ubb為

Ubb=（N+1.5）UDD=741V

(2)計(jì)算偏置電路電阻鏈的阻值偏置電路采用如圖4-8所示的供電電路，設(shè)流過電阻鏈的電流為IRi，流過陽極電阻Ra的最大電流為Iam=GSKφvm=1.02×105×40×10-6×12×10-6=48.96μA取IRi≥10Iam，則

IRi=500μA因此，電阻鏈的阻值Ri=UDD/IRi=156kΩ取Ri=120kΩ，R1=1.5Ri=180kΩ。(3)計(jì)算偏置根據(jù)式（4-35）輸出信號(hào)電壓的