第三章光電檢測(cè)技術(shù)常用器件及應(yīng)用第一頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一1、光電器件的類(lèi)型與特點(diǎn)2、光電檢測(cè)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、熱電偶第二頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一光電子發(fā)射探測(cè)器

在光輻照下，光敏材料中的電子得到足夠的能量便會(huì)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(chēng)為光電子發(fā)射效應(yīng)或稱(chēng)外光電效應(yīng)。第三頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一外光電效應(yīng)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。第四頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一光電管光電倍增管像增強(qiáng)管第五頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一光電管的外形和結(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(yáng)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(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)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(shí)，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(chēng)為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動(dòng)能為(1／2)mυ2

1．光電管第六頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一2.光電倍增管光電倍增管（PMT）是典型的光電子發(fā)射型探測(cè)器，其主要特點(diǎn)是：靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快以及噪聲?。坏Y(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(hào)的探測(cè)。第七頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一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(guò)光窗照射到光電陰極面上時(shí)，光電子從陰極發(fā)射出去，在陰極和陽(yáng)極之間的電場(chǎng)作用下作加速運(yùn)動(dòng)，被高電位的陽(yáng)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.真空光電管或充氣第八頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一光電管的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：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(guò)程極短缺點(diǎn)：體積都比較大；工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏；玻殼容易破碎等第九頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一光電管的特點(diǎn)光陽(yáng)極A陰極K光透射型反射型國(guó)產(chǎn)光電管的代號(hào)用字符GD表示。光電管有反射型和透射型兩種第十頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一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(cè)量微弱的光信號(hào)。它由光入射窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽(yáng)極等部分組成。光電倍增管（Photo-multipletube簡(jiǎn)稱(chēng)為PMT）第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一光電倍增管的工作過(guò)程1.工作原理：（1）光子透過(guò)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(kāi)表面發(fā)射到真空中;（3）光電子通過(guò)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)倍增極倍增后，光電子就放大N次；（4）經(jīng)過(guò)倍增后的二次電子由陽(yáng)極收集，形成陽(yáng)極光電流。端窗式第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一2.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(jià)比較便宜（一般數(shù)百元/只），在分光光度計(jì)、旋光儀和常規(guī)光度測(cè)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(guò)式光陰極），這使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。其價(jià)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(guò)率和短波限。第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一倍增系統(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(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)，使前一級(jí)發(fā)射出來(lái)的電子盡可能沒(méi)有散失地落到下一個(gè)倍增極上，也就是使下一級(jí)的收集率接近于1；2.使前一級(jí)各部分發(fā)射出來(lái)的電子，落到后一級(jí)上所經(jīng)歷的時(shí)間盡可能相同，即渡越時(shí)間離散最小。倍增極分類(lèi)：

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)第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一a.百葉窗型：每一級(jí)倍增極均由一組傾斜的平行葉片組成，下一級(jí)葉片傾斜方向相反。葉片上接金屬網(wǎng)以屏蔽前級(jí)電場(chǎng)，提高收集率。特點(diǎn)為倍增極大，其輸出一致性較好，宜作微弱光信號(hào)探測(cè)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(diǎn)是體積小，均勻性、穩(wěn)定性較好，對(duì)電源要求不嚴(yán)格，但不宜于快速探測(cè)或要求線(xiàn)性電流大的探測(cè)。

c.瓦片（直列）聚焦型：倍增極的形狀類(lèi)似瓦片，其曲度能提供聚焦電場(chǎng)，提高次級(jí)電子利用率。特點(diǎn)是時(shí)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(diǎn)為緊湊的結(jié)構(gòu)和快速時(shí)間響應(yīng)特性。

第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一倍增極結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)聚焦型直瓦片式極間電子渡越時(shí)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(cè)弱光的倍增管，但極間電壓高時(shí)，有的電子可能越級(jí)穿過(guò)，收集率較低，渡越時(shí)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(shí)間零散較大。第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一

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(cè)、快速光子計(jì)數(shù)和微光時(shí)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)用第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一光通過(guò)物質(zhì)時(shí)使物質(zhì)的電子狀態(tài)發(fā)生變化，而失去部分能量，稱(chēng)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(duì)物質(zhì)進(jìn)行掃描，并利用光電倍增管檢測(cè)光通過(guò)被測(cè)物質(zhì)前后的強(qiáng)度，即可得到被測(cè)物質(zhì)吸收程度，計(jì)算出物質(zhì)的量。

1.紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)

2.原子吸收分光光度計(jì)

廣泛地應(yīng)用于微量金屬元素的分析。對(duì)應(yīng)于分析的各種元素，需要專(zhuān)用的元素?zé)?，照射燃燒并霧化分離成原子狀態(tài)到被測(cè)物質(zhì)上，用光電倍增管檢測(cè)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

第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一二、利用發(fā)光原理１.發(fā)光分光光度計(jì)

樣品接受外部照射光的能量會(huì)產(chǎn)生發(fā)光，利用單色器將這種光的特征光譜線(xiàn)顯示出來(lái)，用光電倍增管探測(cè)出特征光譜線(xiàn)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(jì)

熒光分光光度計(jì)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(zhǎng)波的發(fā)光，這種光稱(chēng)為熒光。用光電倍增管檢測(cè)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(jì)

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(zhǎng)光混合在里面。這種散亂光（拉曼光）進(jìn)行分光測(cè)定，對(duì)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(cè)工作需要復(fù)雜的光路系統(tǒng)，并且采用單光子計(jì)數(shù)法。

第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一三、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(xiàn)的束流，入射到物質(zhì)表面，對(duì)表面發(fā)出的電子、離子、X射線(xiàn)等進(jìn)行測(cè)定來(lái)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(xiàn)一般采用電子倍增器或MCP來(lái)測(cè)定。

第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一四、環(huán)境監(jiān)測(cè)

塵埃粒子計(jì)數(shù)器

塵埃粒子計(jì)數(shù)器檢測(cè)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(duì)光的散亂或β射線(xiàn)的吸收原理。

濁度計(jì)

當(dāng)液體中有懸浮粒子時(shí)，入射光會(huì)粒子被吸收、折射。對(duì)人的眼睛來(lái)看是模糊的，而濁度計(jì)正是利用了光的透過(guò)折射和散射原理，并用數(shù)據(jù)來(lái)表示的裝置。

第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一五、生物技術(shù)

細(xì)胞分類(lèi)

細(xì)胞分類(lèi)儀是利用熒光物質(zhì)對(duì)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(guān)察，對(duì)特定的細(xì)胞進(jìn)行選別的裝置

熒光計(jì)

細(xì)胞分類(lèi)的最終目的是分離細(xì)胞，為此，有一種用于對(duì)細(xì)胞、化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行解析的裝置，它稱(chēng)為熒光計(jì)。它對(duì)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(cè)定。

第二十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一六、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(guò)γ相機(jī)可以得到斷層圖象，來(lái)判別病灶。從閃爍掃描器開(kāi)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(guò)光導(dǎo)和大面積NaI（Tl）組合成探測(cè)器

正電子CT

放射線(xiàn)同位素（C11、O15、N18、F18等）標(biāo)識(shí)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(shí)，放出淬滅γ線(xiàn)，用光電倍增管進(jìn)行計(jì)數(shù)，用計(jì)算機(jī)作成體內(nèi)正電子同位素分布的斷層畫(huà)面，這種裝置稱(chēng)為正電子CT。

第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一液體閃爍計(jì)數(shù)

液體閃爍計(jì)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(gè)光電倍增管之間，兩個(gè)光電倍增管同時(shí)檢測(cè)有機(jī)閃爍體的發(fā)光。

臨床檢查

通過(guò)對(duì)血液、尿液中微量的胰島素、激素、殘留藥物及病毒等對(duì)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(duì)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(shí)的抗原體的量進(jìn)行化學(xué)測(cè)定。

第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一七、射線(xiàn)測(cè)定區(qū)域檢測(cè)儀

可以連續(xù)地檢測(cè)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(duì)低水平的α射線(xiàn)和γ射線(xiàn)的檢測(cè)。

射線(xiàn)測(cè)量?jī)x

射線(xiàn)測(cè)量?jī)x采用光電倍增管與閃爍體組合的方式完成對(duì)低水平的γ射線(xiàn)和β射線(xiàn)的檢測(cè)。

第二十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一八、石油測(cè)井應(yīng)用石油測(cè)井中用以確定石油沉積位置以及儲(chǔ)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(xiàn)，判斷油井周?chē)牡貙宇?lèi)型

及密度九、彩色掃描

彩色圖片或照片進(jìn)行印刷時(shí)，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。

第二十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一十、工業(yè)計(jì)測(cè)

厚度計(jì)

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

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、