第5章真空光電器件

第5章真空光電器件§5.4光電倍增管的供電和信號輸出電路§5.1光電陰極§5.2光電管與光電倍增管§5.3光電倍增管的主要特性參數(shù)§5.5微通道板光電倍增管§5.6光電倍增管的應(yīng)用—見P18真空光電器件工作原理真空光電探測器是基于外光電效應(yīng)的探測器，也稱光電子發(fā)射探測器。在光輻射照射下，探測器內(nèi)的光敏材料的電子得到足夠的能量后，就會逸出光敏材料表面而進入外界空間，在空間電場的作用下便形成光電流。光電倍增管真空光電器件的分類光電管真空型充氣型均包括光電陰極、陽極、真空玻璃殼結(jié)構(gòu)：非成像器件成像器件在光電管、光電倍增管、變像管、像增強器和一些攝像管等光電器件中，使用不同波長的輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號，均依靠光電陰極，因此光電陰極關(guān)系到光電器件的光電器件的各項光電性能，是一個相當重要的光電器件5.1光電陰極光電發(fā)射體：能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體光電陰極：光電發(fā)射體常作為光電器件的陰極，故又稱為光電陰極，它是把光電發(fā)射體鍍在金屬或透明材料上就制成了光電陰極5.1.1光電陰極的主要參數(shù)量子效率光譜響應(yīng)曲線熱電子發(fā)射靈敏度光照靈敏度色光靈敏度光譜靈敏度1、靈敏度圖5-1①光照靈敏度

在一定的白光照射下，光電陰極的光電流與入射的白光光通量之比。所以也稱白光靈敏度或積分靈敏度。②色光靈敏度

就是局部波長范圍的積分靈敏度。它表示在某些特定的波長區(qū)域，陰極光電流與入射光的光通量之比。一般用插入不同的濾光片來獲得不同的光譜范圍，濾光片的透射比不同(圖5-1)，它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏。③光譜靈敏度

確定波長的單色光照射時，光電陰極發(fā)出的光電流與入射的單色光通量之比。色溫2856K的鎢絲燈光電陰極受特定波長的光照射時，設(shè)陰極發(fā)射的光電子數(shù)Ne(λ)與入射的光子數(shù)Np(λ)之比，稱為量子效率:Q(λ)=

Ne(λ)/Np(λ)式中λ單位為nm；s(λ)為光譜靈敏度，單位為A／W光電陰極的光譜靈敏度與入射光波長的關(guān)系曲線，稱為光譜響應(yīng)曲線。光電陰極中有一些電子的熱能有可能大于光電陰極逸出功，因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射,室溫下典型光電陰極每秒每平方厘米發(fā)射的熱電子相當于l0-16

～10-17A/cm2的電流密度。但這些熱電子發(fā)射會引起噪聲。2、量子效率3、光譜響應(yīng)曲線4、熱電子發(fā)射量子效率和光譜靈敏度之間的關(guān)系如右：不透明陰極通常較厚，光照射到陰極上，光電子從同一面發(fā)射出來，所以不透明光電陰極又稱為反射型陰極透射型陰極通常制作在透明介質(zhì)上，光通過透明介質(zhì)后入射到光電陰極上。光電子則從光電陰極的另一邊發(fā)射出來，所以透射型陰極又稱為半透明光電陰極光電子的逸出深度是有限的，因此，所有半透明光電陰極都有一個最佳厚度。5.1.2光電陰極的分類光電陰極一般分為透射型與反射型兩種。具有良好的可見和近紅外響應(yīng)。透射型光譜響應(yīng):300nm到1200nm反射型光譜響應(yīng):300m到1100nm

Ag-O-Cs光電陰極主要應(yīng)用于近紅外探測，也是紅外波段唯一可用的經(jīng)典光電發(fā)射材料。但量子效率極低，暗電流大。(2)單堿銻化合物(PEA)

以金屬銻與堿金屬如鋰、鈉、鉀、銫中的一種構(gòu)成的化合物，都是能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射材料，CsSb最為常用，在紫外和可見光區(qū)的靈敏度最高。量子效率高，在藍光區(qū)高達30%比Ag-O-Cs

高30倍。適用于強光測量。(3)多堿銻化合物(PEA)

是指銻Sb和幾種堿金屬形成的化合物包括雙堿銻材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三堿銻材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最實用的光電陰極材料，具有高靈敏度和寬光譜響應(yīng)，其紅外端可延伸到930nm，適用于寬帶光譜測量儀。(4)負電子親合能材料(NEA)

它們的真空能級降到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢變?yōu)樨撝?，這種材料稱作負電子親和勢光電陰極材料。5.1.3常用光電陰極材料(正電子親和勢(PEA)類型材料)(1)Ag-O-Cs材料負電子親和勢材料制作的光電陰極與正電子親勢材料光電陰極相比具有以下四點特點：真空能級位于導(dǎo)帶之上表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級降到導(dǎo)帶之下1、子效率高2、光譜響應(yīng)率均勻，且光譜響應(yīng)延伸到紅外3、熱電子發(fā)射小4、光電子的能量集中在某些應(yīng)用中，要求光電陰極材料只對所探測的紫外輻射靈敏，對可見光無響應(yīng)。這種材料通常稱為“日盲”型光電陰極材料，也稱紫外光電陰極材料目前實用的紫外光電陰極碲化銫(CsTe)和碘化銫(Csl)兩種。長波限為0.32μm長波限為0.2μm（5）紫外光電陰極材料良好的光電陰極材料的應(yīng)具備的標準：（1）光吸收系數(shù)大；（2）光電子在體內(nèi)傳輸時受到的能量損失小，使逸出深度大；（3）表面勢壘低（電子親和力?。闺娮訌谋砻嬉莩龅母怕蚀?；（4）熱電子發(fā)射系數(shù)小。光電陰極材料的分類：5.2.1光電管(PT)結(jié)構(gòu)：光電管主要由玻殼（光窗）、光電陰極和陽極三部分組成分類：光電管內(nèi)可以抽成真空也可以充入低壓惰性氣體的不同，所以有真空型和充氣型兩種。5.2光電管與光電倍增管工作原理：當光通過光電管壁上的窗口照射到光電陰極面上時，光電子就從陰極發(fā)射出來，在電場作用下向陽極加速動，被高電位的陽極所收集，在外電路形成光電流。此光電流主要由陰極的光電靈敏度和光照強度決定。光電倍增管是在光電管的基礎(chǔ)上研制出來的一種真空光電器件，在結(jié)構(gòu)上增加了電子光學(xué)系統(tǒng)和電子倍增極，因此極大的提高了檢測靈敏度。利用外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射相結(jié)合把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子獲得倍增的一種光電器件。

(a)側(cè)窗式(b)端窗式圖5-7光電倍增管類型5.2.2光電倍增管(PMT)一、光電倍增管的結(jié)構(gòu)

光電倍增管主要由入射窗口、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。a、窗口形式：光窗通常有側(cè)窗和端窗兩種側(cè)窗端窗1、入射窗口b、PMT常用的窗口材料硼硅玻璃透紫外玻璃熔融石英藍寶石MgF2透射范圍從300nm到紅外,降低背景噪聲，應(yīng)用與閃爍計數(shù)優(yōu)點是紫外短波透射截止波長可延伸到185nm，但化學(xué)穩(wěn)定性差（熔融二氧化硅）的優(yōu)點是在遠紫外區(qū)有相當好的透過率，短波截止波長可達到160nm，但熱膨脹系數(shù)相差大，不適用于作芯柱材料，只用于管子的頭是一種Al2O3晶體，它的特點是紫外透過率處于熔融石英和透紫外玻璃之間，但紫外截止波長比石英玻璃還要短，可以達到150nm。短波透射波長可到115nm硼硅玻璃:透紫外玻璃:熔融石英:藍寶石:MgF2：2、電子光學(xué)系統(tǒng)

電子光學(xué)系統(tǒng)是指陰極到倍增系統(tǒng)第一倍增極之間的電極空間其中包括光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。

2)使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越的時間盡可能相等，這樣可以保證光電倍增管的快速響應(yīng)，通常用渡越時間離散性表示。電子光學(xué)系統(tǒng)的主要作用有兩點：1)使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部匯聚到第一倍增極上，而將其他部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比。倍增極收集電子的能力通常用電子收集率表示；電子光學(xué)系統(tǒng)的要求：倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成，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。倍增系統(tǒng)決定整管靈敏度。(1)二次電子發(fā)射原理把二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射的一次電子數(shù)Nl的比值定義為該材料的

二次電子發(fā)射過程三個階段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)，這些受激電子稱為內(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；③到達界面的內(nèi)二次電子中能量大于表面勢壘的電子發(fā)射到真空中，成為二次電子。1）銀氧銫和銻銫兩種化合物，靈敏的光電發(fā)射體和良好的二次電子發(fā)射體。2）氧化物型:氧化鎂、氧化鋇等。3）合金型:

銀鎂、鋁鎂、銅鎂、鎳鎂、銅鈹?shù)群辖稹?）負電子親合勢材料:銫激活的磷化鎵等3、電子倍增極（2）倍增極材料(大致可分以下四類)二次發(fā)射系數(shù)為：根據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型所謂聚焦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，加速且聚集。非聚焦則是指在兩電極間的電子運動軌跡是平行的，只加速。倍增極結(jié)構(gòu)形式:(3)倍增極結(jié)構(gòu)及機構(gòu)形式(e)近貼柵網(wǎng)式(f)微通道板式(c)直線聚焦(d)百葉窗式

（a）鼠籠式(b)盒柵式結(jié)構(gòu)：由幾級帶十五級倍增極組成分類：①磁場平行于管軸方向下表為六種倍增極結(jié)構(gòu)的端窗式光電倍增管的典型指標的比較光電倍增管的性能不僅取決于倍增極的結(jié)構(gòu)類型，還取決于光電陰極的尺寸和聚焦系統(tǒng)。①在小的Ep下面有較大的σ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下，發(fā)射系數(shù)保持穩(wěn)定。（4）倍增極的要求4、陽極

陽極的作用是收集從末級倍增極發(fā)射出的二次電子。最簡單常用的陽極是柵狀陽極。要求陽極有高的電子收集率和小的輸出電容，陽極附近也不易產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。二、光電倍增管的分類如右圖所示：①光子透過入射窗口入射在光電陰極K上；②光電陰極受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子；③光電子被電子光學(xué)系統(tǒng)加速和聚焦后入射到第一倍增極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，光電子數(shù)就放大N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Ip，在負載RL上產(chǎn)生信號電壓V0。為了使光電子能有效地被各倍增極電極收集并倍增，陰極與第一倍增極、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。最普通的形式是在陰極和陽極之間加上適當?shù)母邏?，陰極接負，陽極接正，外部并接一系列電阻，使各電極之間獲得一定的分壓，如上圖所示。三、光電倍增管的工作原理四、光電倍增管的優(yōu)缺點1、優(yōu)點：2、缺點：五、雪崩光電二極管與光電倍增管比較▲體積小▲結(jié)構(gòu)緊湊▲工作電壓低▲使用方便▲但其暗電流比光電倍增管的暗電流大，相應(yīng)的噪聲也較大▲故光電倍增管更適宜于弱光探測5.3光電倍增管的主要特性參數(shù)靈敏度是衡量光電倍增管探測光信號能力的一個重要參數(shù)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，而其光譜響應(yīng)曲線基本上與陰極的相同。(2)陰極靈敏度陰極的光照靈敏度定義為光陰極產(chǎn)生的光電流與入射到它上面的光通量之比，即陽極光照靈敏度表示光電倍增管在接收分布溫度為2856K的光輻射時陽極輸出信號電流與入射到陰極上的光通量之比，即與陰極靈敏度相對應(yīng)，陽極靈敏度也有藍光靈敏度、紅光靈敏度及單色靈敏度1、靈敏度(1)光譜響應(yīng)(3)陽極靈敏度光電倍增管倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)是倍增極間電壓的函數(shù)，有以下關(guān)系是常數(shù)；k值與倍增極的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般為0.7~0.8。那么放大倍數(shù)與光電倍增管所加電壓U的關(guān)系為其中從上式可知，光電倍增管的放大倍數(shù)和陽極輸出電流隨所加電壓的次方指數(shù)變化2、電流放大倍數(shù)（增益）暗電流來源可歸納為三類：陰極或其他零件的熱發(fā)射、極間歐姆漏電、殘余氣體以及場致發(fā)射等的再生效應(yīng)。(1)熱電子發(fā)射是光電倍增管暗電流的主要部分。(2)歐姆漏電是指光電倍增管內(nèi)支撐電極的絕緣體(如玻璃芯柱、陶瓷片、塑料管基等)在高電壓下的漏電流。(3)當光電倍增管的工作電壓很高時，電極尖端的場致發(fā)射和殘余氣體離子發(fā)射可能在高電壓下產(chǎn)生。暗電流的產(chǎn)生與電源電壓有密切關(guān)系，如下圖所示

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(dǎo)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。實際使用中，為了得到比較高的信噪比S/N，所加的電源電壓必須適當，。一般工作在右圖的b段3、暗電流光電倍增管的暗電流是指在施加規(guī)定的電壓后，在無光照情況下測定的陽極電流。暗電流決定了光電倍增管的極限靈敏度。光電倍增管的噪聲主要有光電器件本身的散粒噪聲和熱噪聲、負載電阻的熱噪聲、光電陰極和倍增極發(fā)射時的閃爍噪聲等。散粒噪聲中一大部分是暗電流被倍增引起的。減小噪聲和暗電流的常用有效方法是制冷。制冷對降低其它光電器件的噪聲也很有效。光電倍增管具有很寬的動態(tài)范圍，能夠在很大光強變化范圍內(nèi)保持線性。但如果入射光強過大，輸出信號電流就會偏離理想的線性。光電倍增管的穩(wěn)定性是指在恒定光照情況下，陽極電流隨時間的變化。光電倍增管的穩(wěn)定性與工作電流、極間電壓、運行時間、環(huán)境條件和光照情況等許多因素有關(guān)。

當入射光或者所加電壓以階躍函數(shù)變化時，光電倍增管并不能輸出完全相同的階躍函數(shù)信號，這種現(xiàn)象稱為“滯后”。

滯后效應(yīng)主要由于電子偏離設(shè)計的軌跡以及倍增極的陶瓷支架和玻殼等靜電作用引起的。4、噪聲5、線性6、穩(wěn)定性7、滯后效應(yīng)

(2)當入射光通量一定時，陽極電流與最后一級倍增極和陽極之間電壓(簡稱陽極電壓UP)的關(guān)系稱為陽極伏安特性，右上圖為不同光通量下測得的陽極伏安特性。圖中，當陽極電壓大于一定值后陽極電流趨向飽和，與入射到陰極面上的光通量成線性關(guān)系。

(1)當入射光通量一定時，陰極光電流與陰極和第一倍增極之間電壓(簡稱為陰極電壓UK)的關(guān)系稱為陰極伏安特性，左下圖為不同光通量下測得的陰極伏安特性。從圖可見，當陰極電壓大于一定值(幾十伏)后，陰極電流開始趨向飽和，飽和電流與入射光通量成線性關(guān)系8、伏安特性光電倍增管的時間響應(yīng)主要是由從光陰極發(fā)射光電子、經(jīng)過倍增極放大到到達陽極的渡越時間，以及由每個光電子之間的渡越時間差決定的。光電倍增管的時間響應(yīng)通常用陽極輸出脈沖的上升、下降時間、電子的渡越時間及渡越時間離散來表示。幾乎所有的光電倍增管都會受到周圍環(huán)境磁場的影響。磁場會使本來由靜電場確定的電子軌跡產(chǎn)生偏移。這種現(xiàn)象在陰極到第一倍增極區(qū)域最為明顯，因為在這一區(qū)域，電子路徑最大。在磁場的作用下電子運動偏離正常軌跡，引起光電倍增管靈敏度下降，噪聲增加。目前由于分別采用了近貼柵網(wǎng)和微通道板代替普通的倍增極結(jié)構(gòu)，這些類型的光電倍增管抗磁場干擾能力得到很大的加強，故可在強磁場強度的環(huán)境中使用。9、時間特性

10、磁場特性5.4光電倍增管的供電和信號輸出電路為了使光電倍增管能正常工作，通常在陰極(K)和陽極（P）之間加上近千伏的高壓。為保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增系統(tǒng)能得到有效放大，還需將高壓在陰極、聚焦極、倍增極和陽極之間按一定規(guī)律進行分配。1、高壓電源光電倍增管必修工作在高壓狀態(tài)下，一般電源電壓的穩(wěn)定性應(yīng)比光電倍增管所要求的穩(wěn)定性約高10倍。在精密的光輻射測量中，通常要求電源電壓的穩(wěn)定度達到0.01％～0.05％。目前，光電倍增管常用的一種體積小巧的高壓電源模塊，如左下圖所示。輸入直流電壓一般為+15伏，可獲得上千伏的負高壓輸出，電壓穩(wěn)定度為0.02%～0.05%。調(diào)節(jié)控制端的電阻或電壓值，輸出的電壓可以在-200伏至-1200伏之間變化，如右下圖所示?？勺冸娮枰话銥?0kΩ的精密電阻。也可以通過微機編程自動設(shè)定高壓，根據(jù)測量的光信號強度可自動調(diào)整光電倍增管測量系統(tǒng)靈敏度。光電倍增管工作時，需要在陰極和陽極之間加上500—1000V的高壓。該電壓將以適當?shù)谋壤峙浣o聚焦極、倍增極和陽極，保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增系統(tǒng)得到放大。實際應(yīng)用中各極間的電壓都是由連接于陽極與陰極之間的分壓電阻所提供的，這一電路被稱為高壓分壓電路。如下圖所示，多數(shù)情況下采用陽極接地、陰極接負高壓方式(圖5-16a)。此方案消除了外部電路與陽極之間的電壓差，便于電流計或電流—電壓轉(zhuǎn)換運算放大器直接與光電倍增管相連接。但在這種陽極接地的方案中，由于靠近光電倍增管玻殼的金屬支架或磁屏蔽套管接地，它們與陰極和倍增極之間存在比較高的電位差，結(jié)果會使某些光電子打到玻殼內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生玻璃閃爍現(xiàn)象，從而導(dǎo)致噪聲的顯著增加2、高壓分壓電路(1)高壓分壓電路(2)高壓分壓電路的接地方式——陽極接地、陰極接地流經(jīng)分壓電路的電流Jo被稱為分壓電流，該電流與光電倍增管輸出電流的線性有著密切關(guān)系。分壓電流約等于供電電壓除以各分壓電阻阻值的和。無論是陽極還是陰極接地，無論是直流還是脈沖信號工作，當入射到光電倍增管光陰極的光通量增加時，輸出電流也隨著相應(yīng)增加。如下圖所示，入射光通量與陽極電流的理想的線性關(guān)系從一個特定的電流值(B段)開始發(fā)生變化，并最終使光電倍增管的輸出飽和(C段)。3、分壓電流與輸出線性的關(guān)系

(一)用負載電阻實現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的負載電阻為RLPMT陽極與包含諸如導(dǎo)線電容雜散電容在內(nèi)的其他各極間的總電容為Cs那么截止頻率可以由下面的等式給出：(1)在頻響要求比較高的場合，負載電阻應(yīng)盡可能小一些。(2)當輸出信號的線性要求較高時，選擇的負載電阻應(yīng)使信號電流在它上面產(chǎn)生的壓降在幾伏以下。(3)負載電阻應(yīng)比放大器的輸入阻抗小得多。4、信號輸出方式選擇負載電阻時要注意三點：下圖為一個由運算放大器構(gòu)成的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路。為了防止光電倍增管輸出端發(fā)出高壓，采用如下圖所示的由一只電阻RP和穩(wěn)壓二極管VDl及VD2組成的保護電路可以防止前置放大器被損壞。這兩個穩(wěn)壓二極管應(yīng)有最小的漏電流和結(jié)電容，通常采用一個小信號放大晶體管或FET的G-S結(jié)。(二)用運算放大器實現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換如果用微通道板代替一般光電倍增管中的電子倍增器，就構(gòu)成微通道板光電倍增管(MCP光電倍增管)。這種新穎的光電倍增管尺寸大為縮小，電子渡越時間很短，陽極電流的上升時間幾乎降低了一個數(shù)量級，有可能響應(yīng)更窄的脈沖或更高頻率的輻射5.5微通道板光電倍增管左下圖所示，微通道是一根根很細的玻璃管。它的內(nèi)壁鍍有高阻的二次發(fā)射材料，施加高電壓后內(nèi)壁將出現(xiàn)電位梯度，光電陰極發(fā)出的一次電子轟擊微通道的一端，發(fā)射出的二次電子因電場加速而轟擊另一處，再發(fā)射二次電子，這樣連續(xù)多次發(fā)射二次電子，可獲得約104的增益。微通道板是由成千上萬根直徑為15～40μm、長度為0.6～1.6mm的微通道排成的二維列陣，如右上圖所示，簡稱MCP。MCP工作在真空狀態(tài)。為了獲得較高的增益，通道的長度不能太長。由于通道中存在殘余離子，這些正離子與電子的移動方向相反，撞擊管壁時將釋放出更多的二次電子，有可能產(chǎn)生雪崩擊穿；或者在負端離開通道，破壞光電陰極。所以一般將通道制成人字形或z形的折線通道，以減小離子自由飛行的路程，和由離子轟擊發(fā)射的二次電子。帶有兩個串聯(lián)的MCP光電倍增管的基本電路如下圖所示為什么呀?5.6光電倍增管的應(yīng)用光電倍增管具有靈敏度高和響應(yīng)迅速等特點，目前它仍然是最常用的光電探測器之一，而且在許多場合還是唯一適用的光電探測器一、光譜測