1、,光子探測(cè)器,M光電增益,輸出光電流,光電導(dǎo)探測(cè)器：M可以大于1,光電三極管： M102,雪崩光電二極管：M103,？ M106,第05章 光電子發(fā)射探測(cè)器,Photoemissive detector,簡(jiǎn)稱PE探測(cè)器,光 電 管：,光電倍增管：,被半導(dǎo)體光電器件取代,極高靈敏度 106 快速響應(yīng) ps,應(yīng) 用：,微弱光信號(hào)、快速脈沖弱光信號(hào),也稱為真空光電器件,第05章 光電子發(fā)射探測(cè)器,5.1 光電陰極,5.2 光電管和光電倍增管結(jié)構(gòu)原理,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),5.4 光電倍增管的工作電路,5.1 光電陰極,具有外光電效應(yīng)的材料 光電子發(fā)射體,光電子發(fā)射探測(cè)器中的光電子發(fā)射體

2、又稱為光電陰極,光電陰極是完成光電轉(zhuǎn)換的重要部件，其性能好壞直接影響整個(gè)光電發(fā)射器件的性能！,常用的光電陰極材料,反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大適應(yīng)對(duì)紫外靈敏的光電探測(cè)器。,光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多光譜響應(yīng)：可見光和近紅外波段。,金屬：,半導(dǎo)體：,5.1 光電陰極,常規(guī)光電陰極,負(fù)電子親和勢(shì)陰極,半導(dǎo)體材料廣泛用作光電陰極,1、常規(guī)光電陰極,（1）AgOCs材料：,（2）單堿銻化物：,（3）多堿銻化物：,（4）紫外光電陰極：,最早的光電陰極 表51 主要應(yīng)用于近紅外探測(cè),CsSb陰極最為常用 表51 紫外和可見光區(qū)的靈敏度最高,SbNaKCs 最

3、實(shí)用的光電陰極材料，高靈敏度、寬光譜，紅外端延伸930nm，用于寬帶光譜測(cè)量?jī)x,5.1 光電陰極,1、常規(guī)光電陰極,4紫外光電陰極,光電陰極只對(duì)所探測(cè)的紫外輻射信號(hào)靈敏，而對(duì)可見光無(wú)響應(yīng)，這種陰極通常稱為“日盲”型光電陰極。,“日盲”型光電陰極,實(shí)用的兩種：,碲化銫(CsTe)長(zhǎng)波限為0.32m,碘化銫(Csl) 長(zhǎng)波限為0.2 m。,響應(yīng)范圍(100280nm),軍事應(yīng)用舉例,5.1 光電陰極,太陽(yáng)光中的紫外光,大氣中的氧和臭氧層,中紫外（0.20.3m） 完全吸收 “日盲”區(qū),近紫外（0.30.4m） 透過(guò)最多，均勻分布 “窗口”區(qū),軍事攻擊目標(biāo) 如飛機(jī)的尾焰)的 紫外輻射強(qiáng),軍事攻擊目標(biāo)

4、擋住太陽(yáng)紫外光，形成 “暗點(diǎn)” 在均勻的紫外光背景之上,近紫外光電陰極,“日盲”型光電陰極,5.1 光電陰極,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,Negative Electron Affinity ，簡(jiǎn)稱NEA,5.1 光電陰極,電子親和勢(shì)EA 真空能級(jí)與導(dǎo)帶底能級(jí)之差稱為電子親和勢(shì),電子親和勢(shì)越小，材料發(fā)射光電子的能力越強(qiáng)。,真空能級(jí)低于 導(dǎo)帶底能級(jí)？,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,Negative Electron Affinity ，簡(jiǎn)稱NEA,5.1 光電陰極,電子親和勢(shì)EA 真空能級(jí)與導(dǎo)帶底能級(jí)之差稱為電子親和勢(shì),負(fù)電子親和勢(shì),真空能級(jí)低于 導(dǎo)帶底能級(jí),發(fā)射光電子的能力更強(qiáng),2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,

5、Negative Electron Affinity ，簡(jiǎn)稱NEA,5.1 光電陰極,1963年 Simon提出了負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）理論,1965年J.J.sheer和J.V.laar 用銫激活砷化鎵得到零電子親和勢(shì)光電陰極； 研制出GaAs-Cs負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極,負(fù)電子親和勢(shì)材料結(jié)構(gòu)、原理,重?fù)诫s的P型硅表面涂極薄的金屬Cs，經(jīng)過(guò)處理形成N型的Cs2O。,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,以Si-Cs2O光電陰極為例,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,P型Si的電子親和勢(shì):,N型Cs2O電子親和勢(shì):,EA1=E0-EC10,EA2=E0-EC20,體內(nèi)：P型,表面：N型,表面電子，能級(jí)Ec1,入射光子,

6、體內(nèi)電子，能級(jí)Ec1,表面逸出電子 E0-Ec1 0,體內(nèi)有效電子親和勢(shì): EAe=E0-EC10,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,體內(nèi)：P型,表面：N型,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,負(fù)電子親和勢(shì)是指體內(nèi)襯底材料的有效電子親和勢(shì)？,經(jīng)典發(fā)射體的電子親和勢(shì)仍是正的 ？,EA1=E0-EC10,EA2=E0-EC20,EAe=E0-EC10,現(xiàn)以SiCs2O光電陰極為例加以說(shuō)明，它是在P型Si的基質(zhì)材料上涂一層極薄的金屬Cs，經(jīng)特殊處理而形成N型Cs2O。,課后思考題：,如果以某種光電陰極為例加以說(shuō)明，它是在N型Si的基質(zhì)材料上涂一層極薄的金屬，經(jīng)特殊處理而形成P型。,試分析：這種光電陰極材料有何特點(diǎn)？,2.

7、 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,NEA的最大優(yōu)點(diǎn)： 量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多,光電發(fā)射過(guò)程分析：,熱電子 受激電子能量超過(guò)導(dǎo)帶底的電子,冷電子 能量恰好等于導(dǎo)帶底的電子,NEA量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多！,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,NEA的優(yōu)點(diǎn)：量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多,1、量子效率高 2、閾值波長(zhǎng)延伸到紅外區(qū) 3、由于“冷”電子發(fā)射，能量分散小，在成象器件中分辨率極高 4、暗電流極小 5、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻,式（52）與式（165）對(duì)比,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,第05章 光電子發(fā)射探測(cè)器,5.1 光電陰極,5.2 光電管和光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),5.4 光電倍增

8、管的工作電路,5.2 光電管和光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理,5.2.1 光電管,這類管子體積較大，工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏，玻璃外殼容易破碎，它的一般應(yīng)用目前已基本被半導(dǎo)體光電器件代替。,5.2.2 光電倍增管,Photomultiplier, 簡(jiǎn)稱PMT,5.2.2 光電倍增管,Photomultiplier, 簡(jiǎn)稱PMT,結(jié)構(gòu)：光窗 光電陰極 電子光學(xué)系統(tǒng) 電子倍增系統(tǒng) 陽(yáng)極,1. 光窗,(a)側(cè)窗式；(b)端窗式,1）光入射通道,2）短波閾值,作用：,反射式、透射式,5.2.2 光電倍增管,2. 光電陰極,作用:,1) 光電轉(zhuǎn)換能力,2) 長(zhǎng)波波長(zhǎng)閾值,3) 決定整管靈敏度,5.2.2 光電倍增

9、管,3.電子光學(xué)系統(tǒng),作用:,1）收集率接近于1,2）渡越時(shí)間零散最小,通過(guò)電場(chǎng)加速和控制電子運(yùn)動(dòng)路線,5.2.2 光電倍增管,4.電子倍增極,由許多倍增極組成，決定整管靈敏度最關(guān)鍵部分 作用倍增 10-15級(jí)倍增極,5.2.2 光電倍增管,4.電子倍增極,1）二次電子發(fā)射,一次電子,二次電子,二次電子發(fā)射系數(shù)：,5.2.2 光電倍增管,二次電子發(fā)射系數(shù)：,二次發(fā)射系數(shù) 與一次電子能量關(guān)系,增大Ep，值反而下降,不同材料 max 金屬：0.51.8 半導(dǎo)體和介質(zhì)：56 負(fù)電子親和勢(shì)材料：500,隨Ep增大而增大,Epmax約為1001800eV,5.2.2 光電倍增管,內(nèi)增益極高倍增原理,（1

10、）二次電子發(fā)射,入射光照射到光電陰極K上，發(fā)射光電子，經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)加速，聚焦到倍增極上，發(fā)射出多個(gè)二次電子；電子經(jīng)n級(jí)倍增極，形成放大的陽(yáng)極電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生放大的信號(hào)輸出。,5.2.2 光電倍增管,4. 電子倍增極,（1）二次電子發(fā)射,（2）實(shí)用的倍增極材料,（3）倍增極結(jié)構(gòu) 圖57,靈敏的光電發(fā)射體，也是良好的二次電子發(fā)射體,光電倍增管中的倍增極一般由幾級(jí)到十五級(jí)組成,5.2.2 光電倍增管,5陽(yáng)極,作用：收集最末一級(jí)倍增極發(fā)射出來(lái)的二次電子，向外電路輸出電流。,結(jié)構(gòu)：具有較高電子收集率，能承受較大電流密度，在陽(yáng)極附近空間不產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。陽(yáng)極廣泛采用柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。,5.2.2 光電

11、倍增管,陽(yáng)極因空間電荷效應(yīng)而影響接收電子,靠近A，空間的電子濃度很大，對(duì)于D10后來(lái)沒(méi)射出來(lái)的的電子有 排 斥作用。,光照,5.2.2 光電倍增管,第05章 光電子發(fā)射探測(cè)器,5.1 光電陰極,5.2 光電管和光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),5.4 光電倍增管的工作電路,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),1靈敏度,2電流增益,3光電特性,4光譜特性,5伏安特性,6時(shí)間特性,7暗電流,8疲勞特性,9噪聲,1靈敏度,光電倍增管的靈敏度,單位：,陰極靈敏度 A/lm或A/W,陽(yáng)極靈敏度 A/lm 或 A/W,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),1）陰極靈敏度測(cè)試圖,照射到光電陰

12、極上的光通量約為10-510-2lm,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),100V300V,0 V,2）陽(yáng)極靈敏度測(cè)試,各倍增極和陽(yáng)極都加上適當(dāng)電壓；注明整管所加的電壓,3）積分靈敏度,與測(cè)試光源的色溫有關(guān)，多用色溫2856K的白熾鎢絲燈。,1）陰極靈敏度測(cè)試,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),2電流增益,陽(yáng)極電流與陰極電流之比稱為電流增益M（內(nèi)增益）,例如：=4，n=10，M106 光電增益M1,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),電流增益的穩(wěn)定性：,例如， n912，測(cè)量精度1%電源電壓穩(wěn)定度0.1%。,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),3光電特性,陽(yáng)極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)

13、關(guān)系，稱為倍增管的光電特性。,（1）弱光，例如光譜儀，開狹縫,（2）線性，用于模擬量測(cè)量時(shí)重要,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),4光譜特性 （圖59和510 ）,近紅外,遠(yuǎn)紫外,可見光,短波限 窗口材料限制,長(zhǎng)波限 陰極材料限制,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),4光譜特性,近紅外光,紫外光,可見光,對(duì)比光譜響應(yīng)范圍：,PE探測(cè)器,PV探測(cè)器,紫外光,可見光,紅外遠(yuǎn)紅外光,PC探測(cè)器,紫外光,可見光,紅外極遠(yuǎn)紅外光,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),5伏安特性,陰極伏安特性,陽(yáng)極伏安特性：,光電二極管伏安特性：,恒流源計(jì)算和分析方法相同,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),5伏安特性,陰極伏安

14、特性,陽(yáng)極伏安特性：,交流微變等效電路,恒流源計(jì)算和分析方法相同,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),6時(shí)間特性,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),三者分別對(duì)信號(hào)的響應(yīng)產(chǎn)生什么影響？,6時(shí)間特性,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),器件時(shí)間特性 (單位：ns),外電路時(shí)間特性 (單位：ns),6時(shí)間特性,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),當(dāng)電路時(shí)間常數(shù)較大，倍增管的上限截止頻率：,倍增管的響應(yīng)時(shí)間,輸出電路的時(shí)間常數(shù),8.疲勞特性,光電倍增管的靈敏度隨工作時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。弱光下工作，暗室放置一段時(shí)間后，靈敏度可以恢復(fù)到初始值。 若管子長(zhǎng)期連續(xù)工作或受強(qiáng)光照射，則靈敏度不可再恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為疲勞

15、。 光電倍增管不使用時(shí)，應(yīng)存放在黑暗的環(huán)境中；使用時(shí)忌強(qiáng)光照射。,9噪聲與噪聲等效功率,陽(yáng)極散粒噪聲=陰極散粒噪聲+各級(jí)散粒噪聲,陽(yáng)極（總的）散粒噪聲的均方值：,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),陰極散粒噪聲對(duì)陽(yáng)極的貢獻(xiàn)：,陽(yáng)極散粒噪聲=陰極散粒噪聲+各級(jí)散粒噪聲,陰極散粒噪聲對(duì)陽(yáng)極的貢獻(xiàn)：,各級(jí)散粒噪聲對(duì)陽(yáng)極的貢獻(xiàn)：,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),陽(yáng)極散粒噪聲=陰極散粒噪聲+各級(jí)散粒噪聲,陰極散粒噪聲對(duì)陽(yáng)極的貢獻(xiàn)：,陽(yáng)極散粒噪聲的均方值：,物理意義：,1.倍增起伏使陽(yáng)極噪聲增大K倍,2. 增大1, 改善信噪比,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),噪聲增強(qiáng)因子,噪聲等效功率:,PMT 10-

16、1510-16 W/Hz1/2,PIN PD10-14W/Hz1/2,APD 10-15W/Hz1/2,噪聲等效功率計(jì)算舉例：,CR131 光譜響應(yīng)范圍185900nm；峰值波長(zhǎng)400nm 陰極最小有效面積824mm2 典型增益6106 陽(yáng)極典型暗電流3nA,最大50nA 陰極靈敏度250A/Lm NEP=5.0610-14Lm/Hz1/2?W/Hz1/2,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),1靈敏度,2電流增益,3光電特性,4光譜特性,5伏安特性,6時(shí)間特性,7暗電流,8疲勞特性,9噪 聲,第05章 光電子發(fā)射探測(cè)器,5.1 光電陰極,5.2 光電管和光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理,5.3 光電倍增管的

17、主要特性參數(shù),5.4 光電倍增管的工作電路,5.4 光電倍增管的工作電路,是保證其正常工作的必要條件，在常用的光探測(cè)器件中，其工作電路是最為復(fù)雜的。,工作電路：,高壓供電電路,信號(hào)輸出電路,分壓電阻的確定,并聯(lián)電容的確定,高壓電源,接地方式,高壓供電電路分壓電阻的確定,總電壓UAK 在10001500 V之間，倍增極極間電壓UD在80100V之間可以確定分壓電阻,5.4 光電倍增管的工作電路,IR,IAmax,高壓供電電路分壓電阻的確定,5.4 光電倍增管的工作電路,實(shí)例：,說(shuō)明：,i. 第一級(jí)對(duì)陰極電流形成影響最大,高出2030V ii. 中間級(jí)均勻分配 iii. 最后一級(jí),要高,克服空間電

18、荷區(qū)的影響.,高壓供電電路并聯(lián)電容的確定,探測(cè)光脈沖，最后幾級(jí)脈沖電流很大，極間電壓不穩(wěn) 最后幾級(jí)并聯(lián)旁路電容C1、C2、C3。 電容是儲(chǔ)能元件，通過(guò)電容放電可以維持分壓電阻上的電壓不變。,5.4 光電倍增管的工作電路,高壓供電電路高壓電源,專用電源：電壓波動(dòng)在0.05以內(nèi),5.4 光電倍增管的工作電路,高壓供電電路接地方式,缺點(diǎn)：陰極負(fù)高壓，屏蔽困難，暗電流和噪聲大。,優(yōu)點(diǎn)：屏蔽罩靠近陰極，效果好；暗電流小，噪聲低,陽(yáng)極接地（負(fù)高壓接法 ）,陰極接地(正高壓接法),優(yōu)點(diǎn)：便于與后面放大器相連，操作安全,缺點(diǎn)：高壓不利于安全操作；接耐壓很高的隔直電容器。,5.4 光電倍增管的工作電路,信號(hào)輸出電路 交流微變等效電路,電流源,利用伏安特性： 負(fù)載電阻設(shè)計(jì) 輸出電流 輸出電壓等計(jì)算,5.4 光電倍增管的工作電路,信號(hào)輸出電路 ,用負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換：,較大的負(fù)載電阻 1.頻率響應(yīng)變差 2.飽和引起非線性,5.4 光電倍增管的工作電路,負(fù)載電阻太大，陽(yáng)極電壓 降