光電子發(fā)探測器

光電子發(fā)探測器第一頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五§3-1光電子發(fā)射效應

外光電效應——光電子發(fā)射效應

photoemission(PE)金屬或半導體受光照時，如果入射的光子能量hn足夠大，它和物質中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱為外光電效應。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎。第二頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五光電發(fā)射效應圖示第三頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五――電子離開表面的動能

hn―――光子能量Wj―――光電發(fā)射體的功函數(shù)。物理意義電子吸收光子能量hn＞W(wǎng)j，電子將以速度從發(fā)射體表面逸出光電發(fā)射定律（愛因斯坦定律）

第四頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五光電發(fā)射效應能量關系故探測器能吸收光波長為為截止波長

第五頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五光電發(fā)射的基本過程金屬和半導體材料中的光電子發(fā)射步驟:

1)光射入物體后,物體中的電子吸收光子能量,從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級的激發(fā)態(tài)。2)受激電子從受激地點出發(fā)，在向表面運動過程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。3)達到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢壘對電子的束縛（即逸出功）時，即可從表面逸出。第六頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五光電發(fā)射的基本過程或金屬第七頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五金屬的光電子發(fā)射

金屬反射掉大部分入射的可見光（反射系數(shù)90%以上）---吸收效率很低

光電子在金屬中與大量的自由電子碰撞

---在運動中散射損失很多能量---

金屬中光電子的逸出深度很?。◣讉€nm），逸出功大于3eV能量小于3eV（>410nm）的可見光

---很難產(chǎn)生光電發(fā)射---金屬材料的光電子發(fā)射率都很低（大部分光譜響應在紫外或者遠紫外區(qū)）

銫（2eV逸出功）---可見光靈敏（光電陰極）只有很靠近表面的光電子才有可能到達表面并克服勢壘逸出第八頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五W=E0-EF電子逸出功

---描述材料表面對電子束縛強弱的物理量（數(shù)值上等于電子逸出表面所需的最低能量）----

光電發(fā)射體的功函數(shù)(能量閾值)金屬材料的電子逸出功W

----

熱力學溫度T=0K時真空能級與費米能級EF之差----

材料的參量，可以用作光電發(fā)射的能量閾值EF---費米能級（不代表電子占據(jù)的真實能級，參考能量）金屬中沒有禁帶----費米能級以下的基本上為電子所填滿，費米能級以上基本上是空的第九頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五---電子親合勢描述EA

---導帶底上的電子向真空逸出時所需的最低能量（數(shù)值上等于真空能級與導帶底能級之差）---表征半導體在發(fā)生光電效應時電子逸出材料的難易程度（小--容易）半導體的光電發(fā)射

EA=E0-EC半導體內(nèi)自由電子較金屬少（存在有禁帶），費米能級在禁帶當中（隨參雜情況和溫度條件變化）---真空能級與費米能級之差不是材料參量第十頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五半導體電子逸出功

---真空能級與電子發(fā)射中心的能級之差（溫度T=0K時）電子發(fā)射中心的能級---雜質能級、價帶頂、導帶底（情況復雜）E

=Eg+EA=E0-Ev表示半導體光電發(fā)射的難易---電子親和勢本征半導體材料光電子發(fā)射的閾值

---真空能級與價帶頂之差（親和勢加上禁帶寬度）常規(guī)光電陰極（EA>0）---沿用已久，用于真空光電器件中負電子親和勢陰極（EA<0）---近期出現(xiàn)的新型材料第十一頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五§3-2光電子發(fā)射材料優(yōu)異的光電發(fā)射材料應滿足：（1）對光的吸收系數(shù)大，以便體內(nèi)有較多的電子受到激發(fā)；（2）受激電子最好是發(fā)生在表面附近，這樣向表面運動過程中損失的能量少；（3）材料的逸出功要小，使到達真空界面的電子能夠比較容易地逸出；（4）另外，作為光電陰極，其材料還要有一定的電導率，以便能夠通過外電源來補充因光電發(fā)射所失去的電子。一、基本特性第十二頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五二、光電發(fā)射陰極的主要參數(shù)

光電發(fā)射陰極的主要特性參數(shù)為靈敏度、量子效率、光譜響應曲線和熱電子發(fā)射等。1.靈敏度

光電發(fā)射陰極的靈敏度應包括光譜靈敏度、光照靈敏度和色光靈敏度。第十三頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五在可見光波長范圍內(nèi)的“白光”作用于光電陰極時，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,即光照靈敏度量綱為mA/lm。光照靈敏度第十四頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五描述局部光譜區(qū)域的積分靈敏度。在特定波長范圍內(nèi)的光作用于光電陰極時，光電陰極電流Ik與入射的實際總光通量φv之比為光電陰極的色光靈敏度Se。量綱為mA/lm。色光靈敏度第十五頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五光譜靈敏度

定義在單色光（單一波長）輻射作用于光電陰極時，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。其量綱為μA/W或A/W。第十六頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五2.量子效率

定義在單色光輻射作用于光電陰極時，光電陰極單位時間發(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物理量的兩種表示方法。它們之間的關系為

第十七頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五3.光譜響應

光電發(fā)射陰極的光譜響應特性用光譜響應特性曲線描述。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的關系曲線稱為光譜響應。

4.熱電子發(fā)射

光電發(fā)射陰極中少數(shù)處于較高能級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。一般光電發(fā)射陰極的暗電流極低，其強度相當于10-16~10-18Acm-2的電流密度。

第十八頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五銀氧銫(Ag-O-Cs)陰極

銀氧銫(Ag-O-Cs)陰極是最早使用的高效光陰極。它的特點是對近紅外輻射靈敏。制作過程是先在真空玻璃殼壁上涂上一層銀膜再通入氧氣，通過輝光放電使銀表面氧化，對于半透明銀膜由于基層電阻太高，不能用放電方法而用射頻加熱法形成氧化銀膜，再引入銫蒸汽進行敏化處理，形成Ag-O-Cs薄膜。

三、常用的光電發(fā)射材料---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。

峰值波長---0.35m、0.8m使用溫度可達100℃，但暗電流較大，且隨溫度變化較快。

第十九頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五2.單堿與多堿銻化物光陰極

銻銫(CsSb)光電陰極是最常用的，量子效率很高的光電陰極,長波限約為700nm。對紅外不靈敏。銻銫陰極的峰值量子效率較高，一般高達20%~30%，比銀氧銫光電陰極高30多倍。兩種或三種堿金屬與銻化合形成多堿銻化物光陰極。其量子效率峰值可高達30%

。CsSb光電陰極峰值波長---0.4m第二十頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五四、負電子親和勢(NEA---NegativeElectronAffinity)光電陰極電子親和勢

---半導體導帶底部到真空能級間的能量值---

表征材料在發(fā)生光電效應時，電子逸出材料的難易程度電子親和勢小---容易逸出電子親和勢為零/負值---電子處于隨時可以脫離的狀態(tài)電子親和勢為負值的材料制作光電陰極---光子激發(fā)出的電子只要能夠擴散到表面就能逸出（靈敏度極高）半導體表面進行特殊處理（表面區(qū)域發(fā)生能帶彎曲）----真空能級降到導帶底之下（有效電子親合勢成為負值）---大大降低光電發(fā)射的閾值，提高材料量子效率第二十一頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五---采用特殊工藝處理的陰極

---負電子親和勢光電陰極（NEA）第二十二頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五負電子親和勢光電陰極的優(yōu)點量子效率高光譜響應延伸到紅外，光譜響應率均勻熱電子發(fā)射小光電子能量集中第二十三頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五一、真空光電管的結構與工作原理真空光電管構造示意圖

真空光電管由玻殼、光電陰極和陽極三部分組成?！?-3真空光電管

第二十四頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五光電陰極即半導體光電發(fā)射材料，涂于玻殼內(nèi)壁，受光照時，可向外發(fā)射光電子。陽極是金屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極的對面，加正的高電壓，用來收集從陰極發(fā)射出來的電子。

特點：光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達20～200μA/lm；暗電流小，最低可達10-14A；光電發(fā)射弛豫過程極短。

缺點：真空光電管一般體積都比較大、工作電壓高達百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎等

第二十五頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五在伏安特性曲線的飽和區(qū),當電壓u一定時,光電流與入射光功率成線性變化。二、光電特性和伏安特性第二十六頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五1、無光照情況2、飽和電導的角度決定了光電管進入飽和區(qū)的快慢3、工作負載線暗電阻暗電導第二十七頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五4、負載電阻RL和電源偏置電壓V的設計

負載線剛好從M’點穿過，可得：光照時，流過光電管的電流電流靈敏度且由飽和電導得：所以：最后：第二十八頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五三、頻率特性iCdRL光電管等效電路上限截止頻率fc---

輸出信號功率降到零頻時的一半（信號幅度下降到0.707）等效電容式中:ε0為真空介電常數(shù)A為光電陰極面積,d為陰極和陽極間距。光電管的截止頻率通常在百兆赫量級。第二十九頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五§3-4光電倍增管第三十頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五第三十一頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五紫外、可見、近紅外---高靈敏度、低噪聲（二次發(fā)射倍增系統(tǒng)）響應速度快、陰極面積大應用---光子計數(shù)、閃爍計數(shù)、石油勘探第三十二頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五§3-4光電倍增管光電培增管是外光電效應探測器，把微弱的入射光轉換成光電子，并獲得培增的重要的真空光電發(fā)射器件。一．結構與原理光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極等五個主要部分組成，其外形如圖。入射光窗口光電陰極電子倍增器陽極聚焦極管腳1、結構第三十三頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五2、工作原理光子透過入射窗口入射到光電陰極上光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中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N次。經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極A收集起來，形成陽極光電流，在負載RL上產(chǎn)生信號電壓。hKAD1D2DnR1R2RnRlV0第三十四頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五二．組成部分1、光窗光窗是入射光的通道，是對光吸收較多的部分。通常有側窗和端窗兩種，側窗一般使用反射式光電陰極，而端窗一般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。常用的光窗材料有鈉鈣玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟鎂玻璃等。如：硼硅玻璃，其透射光譜范圍從300nm到紅外熔融石英，其透紫外波長可達到160nm第三十五頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五2、光電陰極它的作用是接收入射光，向外發(fā)射光電子。制作光電陰極的材料多是化合物半導體，它決定了倍增管光譜特性的長波閾值，同時也決定了整管的靈敏度。3、電子光學系統(tǒng)主要有兩方面的作用：①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，一般用電子收集率o表示。②使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學系統(tǒng)中渡越時間盡可能相等，使渡越時間差異最小，以保證光電倍增管的快速響應，一般渡越時間的離散性△t用表示。第三十六頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五4、倍增系統(tǒng)倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構成的，具有使一次電子倍增的能力。因此倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關鍵的部分。（1）二次發(fā)射電子具有足夠動能的電子轟擊某些材料時，材料表面將發(fā)射新的電子的現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射。轟擊材料的入射電子稱為一次電子。二次發(fā)射過程分三步:材料吸收具有足夠大動能的一次電子的能量,激發(fā)體內(nèi)的電子到高能態(tài),這些被激發(fā)的電子稱為內(nèi)二次電子。內(nèi)二次電子中有一部分它的初速度的方向指向倍增極材料表面,這部分內(nèi)二次電子向表面運動,在運動過程中因散射而損失一部分能量。達到表面的內(nèi)二次電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢壘對電子的束縛（即逸出功）時，即可從表面逸出成為二次電子。第三十七頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五（2）倍增極的原理及結構二次電子發(fā)射系數(shù)---表示材料二次發(fā)射能力的大小定義---單個入射電子所產(chǎn)生的平均二次電子數(shù)N1---入射電子數(shù)N2---

出射電子數(shù)第三十八頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五如果每個電子落到某一倍增極上從該倍增極打出δ個二次電子，那么很明顯地：式中，I—陽極電流；i0

—光陰極發(fā)出的光電流；n—光電倍增極的級數(shù)。光電倍增管的電流放大系數(shù)G可用下式表示:

---

倍增系數(shù)δ（與材料的性質、電極的結構和形狀、所加的電壓有關）U---

倍增極間所加外加電壓；C---與材料的性質和結構有關的參數(shù)第三十九頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五光電倍增管第四十頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五n個倍增極（倍增系數(shù)相同）---陰極激發(fā)一個光電子，陽極就收集到n個倍增后的電子倍增極個數(shù)：9~14---值：3~6、G：105~108倍增極材料---四類a)含堿復雜面---銀氧銫、銻銫（靈敏的光電發(fā)射體、良好的二次電子發(fā)射體）d)負電子親和勢發(fā)射體b)氧化物型---氧化鎂c)合金型---銀鎂、鋁鎂、銅鎂、鎳鎂、銅鈹?shù)鹊碗妷合掠休^大的倍增系數(shù)值---倍增管工作電壓不至于過高、熱發(fā)射小、暗電流和噪聲小、二次電子發(fā)射穩(wěn)定；溫度較高或一次電流較大時，長時間工作不下降；容易制作第四十一頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

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時的二次發(fā)射系數(shù)δ值可高達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電流和較高的溫度（150℃）。

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。新發(fā)展起來的負電子親和勢材料GaP[Cs]，具有更高的二次電子發(fā)射功能，在電壓為1000V時，倍增系數(shù)可大于50或高達200。

第四十二頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五聚焦型---電子從前一級飛向后一級倍增極時，在兩電極間的電子運動軌跡可能會有交叉非聚焦型

---

在兩電極間的電子運動軌跡是平行的第四十三頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五百葉窗式的主要特點是工作面積大，與大面積光電陰極配合可制成探測弱光的倍增管。但極間電壓較高時，有的電子可能越級穿過，收集率較低，渡越時間差異較大。盒柵式的主要特點是收集率較高，結構緊湊，但極間電子渡越時間差異較大直瓦片式的主要特點是極間電子渡越時間差異小，但絕緣支架可能積累電荷而影響電子光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圓瓦片式的主要特點是結構緊湊、體積小，但靈敏度和均勻性差些。結構特點5、陽極

---金屬網(wǎng)做的柵網(wǎng)狀結構靠近最末一級的倍增極附近---收集最末一級倍增極發(fā)射出來的電子第四十四頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五1、靈敏度和光譜響應度光電器件在單位入射光通量下的輸出電流陰極靈敏度SK=IK/（IK

---陰極發(fā)射電流）；----描述光電器件對輸入信號的響應能力S–光電器件的靈敏度；--入射光通量；I–光電器件的響應電流陽極靈敏度SA=IA/（IA---陽極出射電流）；測試---以陰極為一級，其他倍增極和陽極都連到一起為另一極，相對于陰極加100~300V直流電壓，照射到光電陰極上的光通量約為10-2~10-5lm測試---各倍增極和陽極都加上適當電壓，注明整管所加的電壓（整管參量，與整管所加的電壓有關）三．光電倍增管的基本特性參數(shù)第四十五頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五2、放大倍數(shù)（電流增益）

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，而且與光電倍增管的級數(shù)N有關。理想光電倍增管的增益G與電子發(fā)射系數(shù)δ的關系為

第四十六頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

當考慮到光電陰極發(fā)射出的電子被第1倍增極所收集，其收集率為f，且每個倍增極都存在收集率,稱為倍增極間的傳遞效率g,因此，增益G應修正為

對于非聚焦型光電倍增管,

f近似為90%。g要高于f，但小于1；對于聚焦型的，尤其是在陰極與第1倍增極之間具有電子限束電極的倍增管，其f≈g≈1。第四十七頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ可用經(jīng)驗公式計算，對于銻化銫（Cs3Sb）倍增極材料有經(jīng)驗公式

對于氧化的銀鎂合金（AgMgO[Cs]）材料有經(jīng)驗公式

第四十八頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五對于銻化銫倍增極材料

對銀鎂合金材料

光電倍增管在電源電壓確定后，電流放大倍數(shù)可以從定義出發(fā)，通過測量陽極電流Ia與陰極電流Ik確定。

第四十九頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五3、暗電流各極都加上正常工作電壓，并且陰極無光照情況下陽極的輸出電流限制了可測光通量的最小值，產(chǎn)生噪聲的主要因素---鑒別倍增管質量的重要參量弱光探測

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選取暗電流較小的管子產(chǎn)生因素①陰極和靠近于陰極的倍增極之間的熱電子發(fā)射；②陽極或其他電極的漏電；③由于極間電壓過高引起的場致發(fā)射；④光反饋以及窗口玻璃中可能含有的少量的鉀、鐳、釷等放射性元素蛻變產(chǎn)生的粒子；⑤宇宙射線中的介子穿過光窗式產(chǎn)生的契倫柯夫光子第五十頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五4、光譜特性圖中示出了銻鉀銫（Sb-K-Cs）光電陰極的光譜特性，最靈敏的光譜波長約在4000埃處。同時還要注意環(huán)境溫度對光電倍增管光譜相應的影響。5、光電特性在相當寬的范圍內(nèi)為直線。當光通量很大時，特性曲線開始明顯偏離直線。在工作時陰極不能有強光照射，否則易損壞管子。因它的靈敏度高，光電倍增管允許測量非常小的光通量，或所需放大器的級數(shù)可以較少。第五十一頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五6、伏安特性

陰極伏安特性

當入射光電倍增管陰極面上的光通量一定時，陰極電流Ik與陰極和第一倍增極之間電壓(簡稱為陰極電壓Uk)的關系曲線稱為陰極伏安特性右圖為不同光通量下測得的陰極伏安特性。從圖中可見，當陰極電壓較小時陰極電流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成線性關系。

第五十二頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五陽極伏安特性

當入射到光電倍增管陰極面上的光通量一定時，陽極電流Ia與陽極和末級倍增極之間電壓(簡稱為陽極電壓Ua)的關系曲線稱為陽極伏安特性，下圖為3組不同強度的光通量的伏安特性。

當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成線性關系而與陽極電壓的變化無關。

第五十三頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五通過改變RL來確定靜態(tài)工作點是否在飽和區(qū)7、輸出信號和等效電路線性變化第五十四頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五交流信號第五十五頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五8、線性

光電倍增管的線性是光電測量系統(tǒng)中的一個重要指標。線性不僅與光電倍增管的內(nèi)部結構有關，還與供電電路及信號輸出電路等因素有關。

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

第五十六頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五9、噪聲

光電倍增管的噪聲主要由散粒噪聲和負載電阻的熱噪聲組成。負載電阻的熱噪聲為

散粒噪聲主要由陰極暗電流Id，背景輻射電流Ib以及信號電流Is的散粒效應所引起的。陰極散粒噪聲電流為

散粒噪聲電流將被逐級放大，并在每一級都產(chǎn)生自身的散粒噪聲。如第1級輸出的散粒噪聲電流為

第五十七頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五第2級輸出的散粒噪聲電流為第n級倍增極輸出的散粒噪聲電流為

為簡化問題，設各倍增極的發(fā)射系數(shù)都等于δ（各倍增極的電壓相等時發(fā)射系數(shù)相差很?。r，則倍增管末倍增極輸出的散粒噪聲電流為

第五十八頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

通常δ在3~6之間，接近于1，并且，δ越大，越接近于1。光電倍增管輸出的散粒噪聲電流簡化為總噪聲電流為

在設計光電倍增管電路時，總是力圖使負載電阻的熱噪聲遠小于散粒噪聲

＜＜過剩噪聲因子K第五十九頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五陽極負載電阻RL滿足

總噪聲電流為

第六十頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五例:試求由光電倍增管暗電流所決定的最小可探測功率。總噪聲電流為

最小可探測功率為:

第六十一頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五四．光電倍增管的供電和信號輸出電路1、高壓供電為了使光電倍增管能正常工作，通常需要在陰極(K)和陽極(A)之間加上近千伏的高壓。同時還需要在陰極、聚焦極、倍增極和陽極之間分配一定的極間電壓，保證光電子能被有效收集，光電流通過倍增極系統(tǒng)得到放大。最常用的分壓器是采用一組電阻跨接在陰極與陽極之間。(1)供電電壓的極性一般的分壓電路中采用陽極接地，負高壓供電。如圖。這種供電方式的好處：可消除外部信號輸出電路與陽極之間的電位差這種供電方式的缺點：由于靠近管子玻殼的金屬支架或磁屏蔽筒接地，它們與陰極和倍增極之間存在較高的電位差，結果使某些光電子打到玻殼上產(chǎn)生噪聲hKAD1D2DnR1R2RnRlV0第六十二頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五后幾級倍增極的分壓電阻上并聯(lián)電容---極間電壓穩(wěn)定直流供電---陰極開始電壓依次升高（電阻鏈分壓法）各級電壓均相等（約80~100V），總電壓約1000~1300V

供電電源電壓穩(wěn)定（優(yōu)于0.01%）(2)線性供電方式總的工作電壓U---通過分壓電阻網(wǎng)絡R1～R11加到各相應的電極各電極的電位按照陰極K，第一倍增極D1，……，陽極A的次序遞增---形成依次遞增的電場，使光電倍增管中的光電子加速RL---負載電阻；C1、C2、C3---旁路電容

第六十三頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應，各級的電子流按放大倍率分布，其中，陽極電流Ia最大。因此，電阻鏈分壓器中流過每級電阻的電流并不相等，但是，當流過分壓電阻的電流IR遠遠大于Ia時，即IR＞＞

Ia時，流過各分壓電阻Ri的電流近似相等。工程上常設計IR大于等于10倍的Ia電流。

IR≥10Ia選擇的太大將使分壓電阻功率損耗加大，倍增管溫度升高導致性能的降低，以至于溫升太高而無法工作。

選定電流后，可以計算出電阻鏈分壓器的總阻值R

第六十四頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五R=Ucc/IR各分壓電阻Ri為而R1應為R1=1.5Ri電源電壓對于脈沖信號的探測---適當提高第一倍增極對陰極的電壓，有利于縮短輸出脈沖的上升時間探測弱信號---可適當提高第一倍增極與陰極之間的電壓（既可以提高第一倍增極對光電子的收集效率，也可以使第一倍增極有較高的二次發(fā)射系數(shù)---提高信噪比）方法---增大分壓電阻R1第六十五頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五(3)高壓電源上式對極間電壓Ubb求導得:

在實際應用中常常對電源電壓穩(wěn)定度的要求簡單地認為高于輸出電流增益穩(wěn)定度一個數(shù)量級。例如，當要求輸出電流增益穩(wěn)定度為1%時，則要求電源電壓穩(wěn)定度應高于0.1%。

第六十六頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五可得到光電倍增管的電流增益穩(wěn)定度與極間電壓穩(wěn)定度的關系

對銻化銫倍增極

第六十七頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五極間電壓

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的要求可以設計出極間供電電壓UDD與電源電壓Ucc。由可以計算出UDD與Ucc。第六十八頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

當入射輻射信號為高速的迅變信號或脈沖時，末3級倍增極電流變化會引起較大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個電容C1、C2與C3，通過電容的充放電過程使末3級電壓穩(wěn)定。

(4)末極的并聯(lián)電容

電容C1、C2與C3的計算公式為

式中n為倍增極數(shù)，Iam為陽極峰值電流，τ為脈沖的持續(xù)時間，UDD為極間電壓，L為增益穩(wěn)定度的百分數(shù)。

第六十九頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五2、信號輸出(1)負載電阻輸出光電倍增管后接的放大器常采用電壓輸入---需要用負載電阻將輸出電流變換為電壓負載電阻的選擇應考慮它的壓降不能過大，否則將影響陽極的接收特性，使管子偏離線性工作范圍（一般限制在幾伏以內(nèi)）(2)運算放大器輸出PMTVRfCf輸出的電壓第七十頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五1）使用前應了解器件的特性---靈敏度高、惰性小、供電電壓高、抗震性差（防震和高壓下的安全性）3）工作電流不宜過大---燒毀陰極面，倍增極二次電子發(fā)射系數(shù)下降，增益降低，光電線性變差，縮短壽命2）使用時不可用強光照射---光照過強，光電特性的線性會變差，而且容易使光電陰極疲勞，縮短壽命（一般工作電流控制在0.1~幾十A以內(nèi)）4）測量交變光時，負載電阻不宜很大---負載電阻大，時間常數(shù)變大，頻帶變窄，影響動態(tài)特性（負載電阻和管子的等效電容一起構成電路的時間常數(shù)）五、光電倍增管的使用要點第七十一頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五已知垂直射到地球表面每單位面積的日光功率（稱太陽常數(shù)）等于1.37×103W/m2，地球與太陽的平均距離為1.5×108km，太陽的半徑為6.76×105km。求太陽輻射的總功率解：根據(jù)距離平方反比定律

太陽的輻射強度為得到太陽的總功率為

第七十二頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五已知垂直射到地球表面每單位面積的日光功率（稱太陽常數(shù)）等于1.37×103W/m2，地球與太陽的平均距離為1.5×108km，太陽的半徑為6.76×105km。求太陽輻射的總功率解：根據(jù)距離平方反比定律

太陽的輻射強度為得到太陽的總功率為

第七十三頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五某種光電發(fā)射材料的光電發(fā)射長波限為680nm,試求該光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值解由光電發(fā)射長波限為則即該光電發(fā)射材料的光電發(fā)射域值為1.82電子伏特。

第七十四頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五某光電管伏安特性及負載線如圖所示,求:(1)工作動態(tài)范圍(2)電流靈敏度Ri

(3)負載電阻RL(4)u”和u’

(5)入射光功率為2uW時的輸出電壓(6)入射光功率為3uW、4uW時的輸出電壓(7)入射光功率從4uW降為1uW時,輸出電壓的變化△U(8)飽和電阻R’i/uAu/V4uW3uW2uW1uW251615105U”U’50第七十五頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

解(1)工作動態(tài)范圍0～3uW(2)Ri=5×10-6A/1×10-6W=5A/W(3)RL=50/25×10-6=2000KΩ(4)(50-u’)/15×10-6=2×106,u’=20V15/u’=5/u”,u”=20/3≈6.67V(5)φ=2uW時,uR=10×10-6×2×106=20V(6)φ=3uW時,uR=15×10-6×2×106=30Vφ=4uW時,uR=16×10-6×2×106=32V(7)φ=1uW時,uR=5×2=10V△u=32-10=22V(8)R’=u’/i=20/15×10-6=1333KΩ第七十六頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五如PMT陽極特性為φ=4×10-5lm時,IA=200uA,拐點電壓Vm=60V,如果為入射的最大光通量.陽極電壓最大為90V,要求在線性區(qū)內(nèi)的負載電阻獲得最大的輸出電壓,求(1)直流負載RL(2)入射光通量由2.5×10-5lm緩變?yōu)?×10-5lm時,輸出電壓的變化量解(1)RL=(Va-Vm)/IA=(90-60)/200×10-6=150KΩ

(2)SA=IA/φ=200×10-6/4×10-5=5A/lm△U=SA×△φ×RL=5×(4×10-5-2.5×10-5)×150×103=11.25V第七十七頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

設入射到PMT上的最大光通量為φv=12×10-6lm，當采用GDB-235型倍增管為光電探測器，已知它的倍增級數(shù)為8級，陰極為CsSb材料，倍增極也為CsSb材料，負載電阻RL=82KΩ,SK=40μA/lm，若要求入射光通量在0.6×10-6lm時的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設計該PMT的變換電路。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%，試問該PMT變換電路輸出信號的穩(wěn)定度最高能達到多少？設計工作電路:G極間電壓UDD,電源電壓UCC

流過分壓電阻的電流IR分壓電阻Ri

第七十八頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)題目對輸出電壓幅度的要求和負載電阻RL=82KΩ,陽極電流應不小于Iamin，因此解(1)首先結合電流增益G計算供電電源的電壓

Iamin=UO/RL=0.2V/82kΩ=2.439μA入射光通量為0.6×10-6lm時的陰極電流為

IK=SKφv=40×0.6×10-6=24×10-6μA此時，PMT的增益G應為

第七十九頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五CsSb倍增極材料的增益δ與極間電壓UDD有總電源電壓Ucc為

Ucc=（N+1.5）UDD=741V

N=8，每一級的增益δ=4.227第八十頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

(2)計算偏置電路電阻鏈的阻值偏置電路采用陰極接負高壓的供電電路，設流過電阻鏈的電流為IR，流過陽極負載電阻RL的最大電流為Iam=GSKφvm=1.02×105×40×12×10-6=48.96μA取IR≥10Iam，則

IR=500μA因此，電阻鏈的阻值Ri=UDD/IR=156kΩ

取Ri=120kΩ，R1=1.5Ri=180kΩ。第八十一頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五(3)輸出信號電壓的穩(wěn)定度最高為第八十二頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

如果GDB-235的陽極最大輸出電流為2mA，試問陰極面上的入射光通量不能超過多少lm？解由于Iam=GSKφVm

故陰極面上的入射光通量不能超過

第八十三頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

用光電倍增管接收光脈沖,持續(xù)時間為200ns,如果要求放大倍數(shù)G的穩(wěn)定度為1%,則要求(1)電源電壓的穩(wěn)定度至少為多少?(2)光電倍增管最后三級并聯(lián)電容值為多少?設打拿極材料為銀-鎂合金,級數(shù)n=11,級間電壓UDD=100V,最大陽極電流Iamax=150uA。

解(1)第八十四頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

(2)光電倍增管最后三級并聯(lián)電容值第八十五頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

光電倍增管GDB44F的陰極光照靈敏度為0.5μA/lm，陽極靈敏度為50A/lm，要求長期使用時陽極允許電流限制在2μA以內(nèi)。求（1）陰極面上允許的最大光通量。（2）當陽極電阻為75KΩ時，最大的輸出電壓。（3）若已知該光電倍增管為12級的CsSb倍增極，其倍增系數(shù),計算它的供電電壓。（4）當要求輸出信號的穩(wěn)定度為1%時，求高壓電源電壓的穩(wěn)定度。

解(1)第八十六頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五(2)最大的輸出電壓(3)CsSb倍增極材料的增益δ與極間電壓UDD有N=12，每一級的增益δ=4.642第八十七頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五總電源電壓Ucc為

Ucc=（N+1.5）UDD=1201.5V

(4)輸出信號電壓的穩(wěn)定度最高為第八十八頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

若PMT的SA=10A/lm,SK=20uA/lm,PMT為十一級,問各倍增極的平均倍增系數(shù)為多少?第八十九頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五§3-5微通道板光電倍增管加有微通道板的光電倍增管具有比普通光電倍增管更高的靈敏度,能夠替代普通的光電倍增管用于需要高性能的場合。而且還具有對二維空間電子流圖像進行放大的能力。一．微通道板的結構及工作原理第九十頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五

微通道板型光電倍增管是將上百萬的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成為薄形盤片狀而形成的。這種結構的每個通道都是一個獨立的電子倍增器。比任何分離電極的倍增極結構都具有超快的時間響應，并且當采用多陽極輸出結構時，這種結構的光電倍增管具有極強的二維探測能力。單根倍增微通道實際上是一塊通道內(nèi)壁具有良好的二次電子發(fā)射性能和一定導電性能的微細空心通道玻璃纖維面板。直徑:15～40um,長度:500um,長度與孔徑之比的典型值為50。電子在細長的管內(nèi)徑中經(jīng)多次曲折可獲得的增益。第九十一頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五電子在細長的管內(nèi)徑中經(jīng)多次曲折可獲得的增益。第九十二頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五通道內(nèi)的二次電子發(fā)射第九十三頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五將接受的微弱或幾乎不可見的輸入輻射圖像轉換成電子圖像使電子圖像獲得能量或數(shù)量增強,并聚焦成像將增強的電子圖像轉換為可見的光學圖像第九十四頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五二．微通道板的增益與自飽和若微通道管的長度為L,內(nèi)徑為d,工作中施加于管道兩端的電壓為Vt。二次電子的初速為vos,其相應的加速電壓為Vos,則:二次電子到達對面管壁所需的時間二次電子在相鄰兩次碰撞間沿管軸方向移動的距離第九十五頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五管壁材料的平均倍增系數(shù)δ=KVC相鄰兩次碰撞間二次電子所獲得的加速電位令通道的相對孔徑(長度與內(nèi)徑之比)α=L/d電子發(fā)生碰撞的次數(shù)為電流增益第九十六頁，共一百零七頁，編輯于2023年，星期五電流增益與通道板的相對口徑α,工作電壓Vt,及接收效率(上通道開口面積與總面積之比)有關。對應任一工作電壓，微通道板的電流增益隨相對口徑連續(xù)變化，且只有一個峰值。峰值隨工作電壓的增大而增大。在峰值附近,增益曲線比較平坦,表明在這個范圍內(nèi)相對口徑的變化對電流增益的影響較小。微通道