真空光電器件

真空光電器件第一頁，共49頁4.1光電管一、概述二、工作原理三、分類四、主要特性五、注意事項第二頁，共49頁概述光電管是依據(jù)光電發(fā)射效應而工作的一種光電探測器。其結構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第三頁，共49頁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)過精心設計。光陽極A陰極K光透射型反射型VRLuAKGD第四頁，共49頁國產(chǎn)光電管的代號用字符GD表示。如果管殼內是真空狀態(tài)，就稱為真空光電管。如果管殼內充有增益氣體，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。第五頁，共49頁工作原理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第六頁，共49頁工作原理當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第七頁，共49頁由于管殼內裝有增益氣體，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，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。這樣，在陽極電路內就形成了數(shù)倍于真空光電管的光電流。AK充氣光電管工作原理第八頁，共49頁就充氣光電管而言需注意的問題：氣體性質：有良好的化學性質氣體壓力：零點幾至幾千兆范圍內放大倍數(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之比即第九頁，共49頁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、平行平板電極型第十頁，共49頁AK透明的導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：陽極收集率低第十一頁，共49頁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，接受光通量大第十二頁，共49頁主要特性光照特性伏安特性頻率特性穩(wěn)定性暗電流與噪聲第十三頁，共49頁光照特性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呈直線關系，通常將與直線部分相對應的光照量范圍稱為光電管的動態(tài)范圍。第十四頁，共49頁真空光電管1,2,3：

1、弱光照射下，可保持光電線性關系，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，層內補充電子困難，且電流大時層內會產(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第十五頁，共49頁充氣光電管4、5、6:內陽極電流與光照之間沒有嚴格的線性關系，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，陽極電流與光照之間才有線性關系。P1P2P3EIP1＞P2＞P3RL1RL2RL3RL1＞RL2＞RL3IE氣壓不同負載不同第十六頁，共49頁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，光電轉換，光電控制中應用更多一些。第十七頁，共49頁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之間有關系:

式中V是偏置電壓(或電源電壓)。u和i之間的變化關系稱為光電管的伏安特性。VRLuAKGD光電管的偏置電路第十八頁，共49頁真空光電管:

其伏安特性總會出現(xiàn)飽和區(qū)，當陽極電壓為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，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第十九頁，共49頁無光照時當光照功率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第二十頁，共49頁充氣光電管:沒有飽和區(qū)，由圖可知，陽極電壓很低時，管內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第二十一頁，共49頁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，光子結構，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：氣體正離子的質量遠大于電子，它在極間的渡越時間比電子長的多.第二十二頁，共49頁穩(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，這稱為光電管的疲乏；若不能恢復，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。第二十三頁，共49頁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。第二十四頁，共49頁注意事項光電管不使用時，應存放在黑盒內，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。第二十五頁，共49頁4.2光電倍增管第二十六頁，共49頁光電倍增管一、工作原理二、結構組成三、主要性能及參數(shù)四、PMT的光電特性五、選擇PMT考慮的因素第二十七頁，共49頁一、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第二十八頁，共49頁光電陰極二次電子倍增器第二十九頁，共49頁二、光電倍增管的結構組成它主要由光窗、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極五個主要部分組成。KφD1D3D2D4A第三十頁，共49頁1、光窗側窗式端窗式KK第三十一頁，共49頁2、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第三十二頁，共49頁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，但工藝復雜，成本高第三十三頁，共49頁3、電子光學系統(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電層電子光學系統(tǒng)結構圖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)歷的時間差第三十四頁，共49頁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。各種倍增極的結構形式

a)百葉窗式

b)盒柵式

c)直瓦片式

d)圓瓦片式第三十五頁，共49頁4、電子倍增系統(tǒng)倍增極結構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系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圓瓦片式結構緊湊，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%），結構緊湊，但極間電子渡越時間零散較大。第三十六頁，共49頁5、陽極陽極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結構，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。一次電子二次電子柵網(wǎng)狀陽極陽極結構示意圖第三十七頁，共49頁三、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。第三十八頁，共49頁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K：陰極下標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/Φ第三十九頁，共49頁2、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)。第四十頁，共49頁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。第四十一頁，共49頁

（3）離子和光的反饋作用受抽真空技術的限制，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。第四十二頁，共49頁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：第四十三頁，共49頁5、NEP（靈敏閾）噪聲等效功率（NEP）: