第三章光電檢測技術(shù)常用器件及應(yīng)用6

1、光電器件的類型與特點2、光電檢測器件的特性參數(shù)3、光電導(dǎo)器件---光敏電阻4、光生伏特效應(yīng)------光電池、光電二極管、光電三極管等5、光電發(fā)射效應(yīng)---光電管、光電倍增管等主要內(nèi)容6、光熱效應(yīng)----熱敏電阻、熱電偶當(dāng)前第1頁\共有28頁\編于星期三\8點光電子發(fā)射探測器

在光輻照下，光敏材料中的電子得到足夠的能量便會逸出光敏材料表面而進(jìn)入外界空間(真空或氣體)，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射效應(yīng)或稱外光電效應(yīng)。當(dāng)前第2頁\共有28頁\編于星期三\8點外光電效應(yīng)的兩個實驗規(guī)律1、光電特性

當(dāng)光照射到光陰極上的入射光頻率不變時，在外加電壓一定的條件下，光電流與入射光通量成正比2、閾值頻率光電子的最大初始動能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)。當(dāng)前第3頁\共有28頁\編于星期三\8點光電管光電倍增管像增強(qiáng)管當(dāng)前第4頁\共有28頁\編于星期三\8點光電管的外形和結(jié)構(gòu)如圖所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動能為(1／2)mυ2

1．光電管當(dāng)前第5頁\共有28頁\編于星期三\8點2.光電倍增管光電倍增管（PMT）是典型的光電子發(fā)射型探測器，其主要特點是：靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快以及噪聲??；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓高和體積大。它是電流放大器件，具有很高的電流增益，特別適用于微弱光信號的探測。當(dāng)前第6頁\共有28頁\編于星期三\8點真空光電管與光電倍增管的工作原理光電管

當(dāng)入射光透過光窗照射到光電陰極面上時，光電子從陰極發(fā)射出去，在陰極和陽極之間的電場作用下作加速運動，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。

1.真空光電管或充氣當(dāng)前第7頁\共有28頁\編于星期三\8點光電管的特點優(yōu)點：光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達(dá)20～200μA/lm；暗電流小，最低可達(dá)10-14A；光電發(fā)射弛豫過程極短缺點：體積都比較大；工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏；玻殼容易破碎等當(dāng)前第8頁\共有28頁\編于星期三\8點光電管的特點光陽極A陰極K光透射型反射型國產(chǎn)光電管的代號用字符GD表示。光電管有反射型和透射型兩種當(dāng)前第9頁\共有28頁\編于星期三\8點光電倍增管是一種基于外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)的電子真空器件。它利用二次電子發(fā)射使逸出的光電子倍增，獲得遠(yuǎn)高于光電管的靈敏度，能測量微弱的光信號。它由光入射窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽極等部分組成。光電倍增管（Photo-multipletube簡稱為PMT）當(dāng)前第10頁\共有28頁\編于星期三\8點光電倍增管的工作過程1.工作原理：（1）光子透過入射窗口入射在光電陰極上;（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）光電子通過電場加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增級上，倍增級將發(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；（4）經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極收集，形成陽極光電流。端窗式當(dāng)前第11頁\共有28頁\編于星期三\8點2.光電倍增管的結(jié)構(gòu)（1）入射光窗口側(cè)窗型（side－on）:從側(cè)面接收入射光。使用不透明光陰極（反射式光陰極）和環(huán)形聚焦型電子倍增極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。單價比較便宜（一般數(shù)百元/只），在分光光度計、旋光儀和常規(guī)光度測定方面具有廣泛的應(yīng)用。端窗型（head－on）：從頂部接收入射光。入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明的光陰極（透過式光陰極），這使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。其價格一般在千元以上。窗口材料：硼硅玻璃；透紫外玻璃；石英；藍(lán)寶石；MgF2等。主要考慮透過率和短波限。當(dāng)前第12頁\共有28頁\編于星期三\8點倍增系統(tǒng)：是指由各倍增極構(gòu)成的綜合系統(tǒng)，各倍增極都是由二次電子發(fā)射體構(gòu)成。要求：1.通過適當(dāng)設(shè)計的電極結(jié)構(gòu)，使前一級發(fā)射出來的電子盡可能沒有散失地落到下一個倍增極上，也就是使下一級的收集率接近于1；2.使前一級各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級上所經(jīng)歷的時間盡可能相同，即渡越時間離散最小。倍增極分類：

非聚焦型——只加速。倍增極間的電子束是平行的。如：百葉窗型、盒柵式。聚焦型——加速聚焦。如：瓦片式、圓形鼠籠式（2）

倍增極結(jié)構(gòu)當(dāng)前第13頁\共有28頁\編于星期三\8點a.百葉窗型：每一級倍增極均由一組傾斜的平行葉片組成，下一級葉片傾斜方向相反。葉片上接金屬網(wǎng)以屏蔽前級電場，提高收集率。特點為倍增極大，其輸出一致性較好，宜作微弱光信號探測b.盒柵型：倍增極由1/4圓弧盒組成，前面接有金屬網(wǎng)。特點是體積小，均勻性、穩(wěn)定性較好，對電源要求不嚴(yán)格，但不宜于快速探測或要求線性電流大的探測。

c.瓦片（直列）聚焦型：倍增極的形狀類似瓦片，其曲度能提供聚焦電場，提高次級電子利用率。特點是時間響應(yīng)快。d.圓形鼠籠型：主要應(yīng)用于側(cè)窗型光電倍增管。其主要特點為緊湊的結(jié)構(gòu)和快速時間響應(yīng)特性。

當(dāng)前第14頁\共有28頁\編于星期三\8點當(dāng)前第15頁\共有28頁\編于星期三\8點倍增極結(jié)構(gòu)形式特點聚焦型直瓦片式極間電子渡越時間零散小，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(dá)95%），結(jié)構(gòu)緊湊，但極間電子渡越時間零散較大。當(dāng)前第16頁\共有28頁\編于星期三\8點

光電倍增管不但具有極高的光電靈敏度、極快的響應(yīng)速度、極低的暗電流低和噪聲，還能夠在很大范圍內(nèi)調(diào)整內(nèi)增益。因此，它在微光探測、快速光子計數(shù)和微光時域分析等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。光電倍增管的典型應(yīng)用當(dāng)前第17頁\共有28頁\編于星期三\8點光通過物質(zhì)時使物質(zhì)的電子狀態(tài)發(fā)生變化，而失去部分能量，稱為吸收。利用吸收進(jìn)行定量分析。為確定樣品物質(zhì)的量，采用連續(xù)的光譜對物質(zhì)進(jìn)行掃描，并利用光電倍增管檢測光通過被測物質(zhì)前后的強(qiáng)度，即可得到被測物質(zhì)吸收程度，計算出物質(zhì)的量。

1.紫外/可見/近紅外分光光度計

2.原子吸收分光光度計

廣泛地應(yīng)用于微量金屬元素的分析。對應(yīng)于分析的各種元素，需要專用的元素?zé)?，照射燃燒并霧化分離成原子狀態(tài)到被測物質(zhì)上，用光電倍增管檢測光被吸收的強(qiáng)度，并與預(yù)先得到的標(biāo)準(zhǔn)樣品比較。

一、光譜學(xué)-----利用光吸收原理

當(dāng)前第18頁\共有28頁\編于星期三\8點二、利用發(fā)光原理１.發(fā)光分光光度計

樣品接受外部照射光的能量會產(chǎn)生發(fā)光，利用單色器將這種光的特征光譜線顯示出來，用光電倍增管探測出特征光譜線強(qiáng)度。這種方法可以迅速檢查出樣品中的元素。

２.熒光分光光度計

熒光分光光度計依據(jù)生物化學(xué)，特別是分子生物學(xué)原理。物質(zhì)受到光照射，發(fā)射長波的發(fā)光，這種光稱為熒光。用光電倍增管檢測熒光的強(qiáng)度及光譜特性，可以分析樣品成份。

3.拉曼分光光度計

用單色光照射物質(zhì)后被散亂，這種散亂光中，只有物質(zhì)特有量的不同波長光混合在里面。這種散亂光（拉曼光）進(jìn)行分光測定，對物質(zhì)進(jìn)行定性定量的分析。由于拉曼發(fā)光極其微弱，因此檢測工作需要復(fù)雜的光路系統(tǒng)，并且采用單光子計數(shù)法。

當(dāng)前第19頁\共有28頁\編于星期三\8點三、質(zhì)量光譜學(xué)與固體表面分析

固體表面分析

固體表面的成分和結(jié)構(gòu)，可以用極細(xì)的電子、離子、光或X射線的束流，入射到物質(zhì)表面，對表面發(fā)出的電子、離子、X射線等進(jìn)行測定來分析。這種技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域被用于半導(dǎo)體的檢查中，如缺陷、表面分析、吸附等。電子、離子、X射線一般采用電子倍增器或MCP來測定。

當(dāng)前第20頁\共有28頁\編于星期三\8點四、環(huán)境監(jiān)測

塵埃粒子計數(shù)器

塵埃粒子計數(shù)器檢測大氣或室內(nèi)環(huán)境中懸浮的粉塵或粒子的密度。它利用了塵埃粒子對光的散亂或β射線的吸收原理。

濁度計

當(dāng)液體中有懸浮粒子時，入射光會粒子被吸收、折射。對人的眼睛來看是模糊的，而濁度計正是利用了光的透過折射和散射原理，并用數(shù)據(jù)來表示的裝置。

當(dāng)前第21頁\共有28頁\編于星期三\8點五、生物技術(shù)

細(xì)胞分類

細(xì)胞分類儀是利用熒光物質(zhì)對細(xì)胞標(biāo)定后，用激光照射，細(xì)胞的熒光、散亂光用光電倍增管進(jìn)行觀察，對特定的細(xì)胞進(jìn)行選別的裝置

熒光計

細(xì)胞分類的最終目的是分離細(xì)胞，為此，有一種用于對細(xì)胞、化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行解析的裝置，它稱為熒光計。它對細(xì)胞、染色體發(fā)出的熒光、散亂光的熒光光譜、量子效率、偏光、壽命等進(jìn)行測定。

當(dāng)前第22頁\共有28頁\編于星期三\8點六、醫(yī)療應(yīng)用

γ相機(jī)

將放射性同位素標(biāo)定試劑注入病人體內(nèi)，通過γ相機(jī)可以得到斷層圖象，來判別病灶。從閃爍掃描器開始，經(jīng)逐步改良，γ相機(jī)的性能得到快速的發(fā)展。光電倍增管通過光導(dǎo)和大面積NaI（Tl）組合成探測器

正電子CT

放射線同位素（C11、O15、N18、F18等）標(biāo)識的試劑投入病人體內(nèi)，發(fā)射出的正電子同體內(nèi)結(jié)合時，放出淬滅γ線，用光電倍增管進(jìn)行計數(shù)，用計算機(jī)作成體內(nèi)正電子同位素分布的斷層畫面，這種裝置稱為正電子CT。

當(dāng)前第23頁\共有28頁\編于星期三\8點液體閃爍計數(shù)

液體閃爍計數(shù)應(yīng)用于年代分析和生物化學(xué)等領(lǐng)域。將含有放射性同位素物質(zhì)溶于有機(jī)閃爍體內(nèi)，并置于兩個光電倍增管之間，兩個光電倍增管同時檢測有機(jī)閃爍體的發(fā)光。

臨床檢查

通過對血液、尿液中微量的胰島素、激素、殘留藥物及病毒等對于抗原、抗體的作用特性，進(jìn)行臨床身體檢查、診斷治療效果等。光電倍增管對被同位素、酶、熒光、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光物質(zhì)等標(biāo)識的抗原體的量進(jìn)行化學(xué)測定。

當(dāng)前第24頁\共有28頁\編于星期三\8點七、射線測定區(qū)域檢測儀

可以連續(xù)地檢測環(huán)境輻射水平。它采用光電倍增管與閃爍體組合的方式，完成對低水平的α射線和γ射線的檢測。

射線測量儀

射線測量儀采用光電倍增管與閃爍體組合的方式完成對低水平的γ射線和β射線的檢測。

當(dāng)前第25頁\共有28頁\編于星期三\8點八、石油測井應(yīng)用石油測井中用以確定石油沉積位置以及儲量等。內(nèi)藏放射源、光電倍增管和閃爍體的探頭進(jìn)入井中，分析放射源被散射的以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的自然射線，判斷油井周圍的地層類型

及密度九、彩色掃描

彩色圖片或照片進(jìn)行印刷時，需要將其顏色進(jìn)行分色掃描。分色是用光電倍增管和濾光片，把彩色分解成三原色（紅、綠、蘭）和黑色，作為圖象數(shù)據(jù)讀出。

當(dāng)前第26頁\共有28頁\編于星期三\8點十、工業(yè)計測

厚度計

工業(yè)生產(chǎn)中的諸如紙張、塑料、鋼材等的厚度檢測，可以通過包括放射源、光電倍增管和閃爍體的設(shè)備來實現(xiàn)。對于低密度物質(zhì)，比如橡膠、塑料、紙張等，采用β射線源；諸如鋼板等的高密度物質(zhì)則使用γ射線。（在電鍍、蒸發(fā)控制等處，鍍膜的厚度可使用X射線熒光光度計）

半導(dǎo)體檢查系統(tǒng)

廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片的缺陷檢查