《弱光信號檢測》PPT課件.ppt

第二章光輻射探測器 2 2真空光電探測器 2 2 1光電子發(fā)射與光電陰極 2 2 2光電倍增管原理及結(jié)構(gòu) 2 2 3光電倍增管的基本特性 2 2 4光電倍增管的使用 2 2 1光電子發(fā)射與光電陰極 基本規(guī)律 1 斯托列托夫定律 光電發(fā)射第 定律 發(fā)射的光電流與入射光強 或光通量 成正比IK SK SK 靈敏度 2 愛因斯坦定律 光電發(fā)射第二定律 光電子的最大動能與光強無關(guān) 隨入射光頻率的增加而線性增加 光電子發(fā)射過程 吸收光子 光電子向表面運動 克服表面勢壘逸出 時間很短10 12s 絕對零度時光電子逸出表面所需的最低能量光電逸出功W 光電子發(fā)射 金屬的光電子發(fā)射 金屬中自由電子的能量服從費米分布 T 0K時 能量最大的電子處在費米能級EF上 即E EF 從金屬表面逸出的光電子所具有的動能為 E 電子在向表面運動過程中的各種散射能量損失 E 0 E 0 EA 表面勢壘 光電子發(fā)射 金屬的光電子發(fā)射 金屬逸出功 T 0K時 部分電子的能量比費米能級高 E 曲線在 0后有一拖尾 黃線 愛因斯坦定律只在T 0K時正確 由于金屬中能量比費米能級高的電子很少 曲線在 0后拖尾很小 因此一般認為愛因斯坦定律在室溫下成立 光電子發(fā)射 半導(dǎo)體的光電子發(fā)射 性能比較 金屬逸出功高 表面反射強 對光輻射的吸收率低 存在大量電子 散射能量損失 半導(dǎo)體逸出功小 量子效率高 表面反射小 吸收系數(shù)大 表面 體內(nèi)光電效應(yīng)散射能量損失小體內(nèi)存在大量發(fā)射中心 價帶中有大的電子密度 現(xiàn)代光電陰極多采用半導(dǎo)體材料 光電子發(fā)射 半導(dǎo)體的光電子發(fā)射 吸收光子 光電子向表面運動 本征吸收 雜質(zhì)吸收 自由載流子吸收 價帶上的電子 雜質(zhì)能級上的電子 自由電子 20 30 1 微不足道 與價帶上電子的碰撞 電離 產(chǎn)生二次電子空穴對 損失能量大 禁帶寬度Eg的2 3倍 晶格散射 能量損失小 逸出深度大 自由電子散射忽略不計 光電子發(fā)射 半導(dǎo)體的光電子發(fā)射 克服表面勢壘逸出 本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 半導(dǎo)體光電逸出功由兩部分組成 重摻雜p型半導(dǎo)體 重摻雜n型半導(dǎo)體 電子從發(fā)射中心激發(fā)到導(dǎo)帶所需的最低能量 電子從導(dǎo)帶底逸出表面所需的最低能量 即電子親和勢 2 2 1光電子發(fā)射與光電陰極 光電陰極 光吸收系數(shù)大 一個良好的光電發(fā)射材料應(yīng)具備下述條件 光電子在體內(nèi)傳輸過程中能量損失小 使逸出深度大 表面勢壘低 電子親和勢低 使表面逸出幾率大 2 2 1光電子發(fā)射與光電陰極 光電陰極 光電陰極多是由化合物半導(dǎo)體材料制作 對于金屬 上面三個條件都不滿足 大多數(shù)金屬光電陰極的光譜響應(yīng)都在紫外或遠紫外區(qū) 只能適應(yīng)對紫外靈敏的光電器件 量子效率比金屬大得多 而光發(fā)射波長延伸至可見光和近紅外 2 2 1光電子發(fā)射與光電陰極 光電陰極 倍增管光譜特性的長波閾值決定于光電陰極材料 同時對整管靈敏度也起著決定性作用 負電子親和勢 NEA 可見 紅外均勻 高 銻銫 CsSb 光譜窄 紅光 紅外不靈敏 20 30 鉍銀氧銫 Bi Ag O Cs 光譜響應(yīng)人眼 10 多堿可見光均勻 25 銀氧銫 Ag O Cs 可見 紅外 1 表征光電陰極的主要參數(shù)有 靈敏度 量子效率 光譜響應(yīng) 暗電流 2 2 1光電子發(fā)射與光電陰極 光電陰極 銻化物光電陰極 負電子親和勢光電陰極 2 2 2光電倍增管原理及結(jié)構(gòu) 一 基本結(jié)構(gòu) 加了二次倍增系統(tǒng)的光電管 光電倍增管 PhotoMultiplierTube 簡稱PMT 它是一種真空光電器件 主要由光入射窗口 光電陰極 電子光學(xué)系統(tǒng) 倍增極和陽極組成 光窗 光窗分側(cè)窗式和端窗式兩種 光電陰極結(jié)構(gòu) 端窗式是通過端口端面接收入射光 它通常使用半透明光電陰極 側(cè)窗式是通過管殼側(cè)面接收入射光 它通常采用反射式陰極 光窗材料 PMT的短波靈敏度和光譜響應(yīng)特性都受到窗口材料的限制 鈉鈣玻璃 硼硅玻璃 紫外玻璃 熔凝石英 氟鎂玻璃 電子光學(xué)系統(tǒng) 電子光學(xué)系統(tǒng)主要有兩方面的作用 一是使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能匯聚到第一倍增極上 而將雜散熱電子散射掉 提高信噪比 二是使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越的時間盡可能相同 以保證PMT的快速響應(yīng) 二 工作原理 光子透過入射窗口射在光電陰極上 光電陰極受激發(fā) 發(fā)射一次電子 然后經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦射在第一倍增極上 激發(fā)出更多的二次電子 經(jīng)N級倍增極倍增 光電流就放大N次 二次電子由陽極收集 形成陽極電流 三 倍增極 1 倍增極材料 2 2 2光電倍增管原理及結(jié)構(gòu) PMT的倍增功能主要是由電子倍增極完成的 光電陰極發(fā)射出的一次電子轟擊倍增極 從而激發(fā)出數(shù)量更多的二次電子 不同材料發(fā)射二次電子的能力是不一樣的 為表征這種能力 我們定義二次電子發(fā)射系數(shù) 二次電子發(fā)射過程 2 2 2光電倍增管原理及結(jié)構(gòu) 光電性能良好的材料也是良好的二次發(fā)射體 材料吸收一次電子的能量 激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài) 這些被激電子稱為內(nèi)二次電子 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能量 如果到達界面的內(nèi)二次電子仍有足以克服表面勢壘的能量 即逸出表面成為二次電子 2 倍增極的結(jié)構(gòu) 2 2 2光電倍增管原理及結(jié)構(gòu) PMT 單極 多極 聚焦型 非聚焦型 鼠籠式 直列式 百葉窗式 盒柵式 2 2 2光電倍增管原理及結(jié)構(gòu) 聚焦型 非聚焦型 鼠籠式 直列式 百葉窗式 盒柵式 為了方便使用 將小型光電倍增管和低耗高壓電源組合在一個模塊里 用戶只要準備一般的低壓電源 就可以馬上得到靈敏度高 動態(tài)范圍大而且響應(yīng)快的高性能光傳感器 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件的靈敏度不夠時 請選擇PMT模塊 2 2 3光電倍增管的基本特性 1 靈敏度2 電流放大倍數(shù) 增益 3 伏安特性4 暗電流5 疲勞6 噪聲7 時間特性 8 磁場特性9 空間均勻性10 偏振效應(yīng)11 PMTafterpulse 靈敏度 2 2 3光電倍增管的基本特性 靈敏度一般包括光譜響應(yīng) 陽極光照靈敏度和陰極光照靈敏度 陰極光照靈敏度和陽極光照靈敏度一般都在PMT參數(shù)表中標定 其測量原理圖如下 靈敏度參數(shù)對于PMT是十分重要的 陰極的光譜響應(yīng)取決于光電陰極和窗口的材料性質(zhì) 陽極光譜響應(yīng)曲線基本和陰極相同 僅差一個倍數(shù) 值得一提的是 溫度對于光電倍增管的影響非常大 以CsSb陰極和多堿陰極為例 2 電流放大倍數(shù) 增益 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 Gm IA IK SA SK 2 2 3光電倍增管的基本特性 由于電子在傳輸過程中會有損失 Gm可由下式近似 Gm f g n f為第一倍增極對陰極發(fā)射電子的收集效率 通常f 0 9 g為倍增極間傳遞效率 聚焦型g 1 非聚焦型g 1 n為倍增極個數(shù) 為二次電子發(fā)射系數(shù) 電流放大倍數(shù) 設(shè)f 1 g 1 即陰極和倍增極發(fā)射的電子全被吸收 Gm n Gm 105 108n 9 14 對于銻化銫倍增極 0 2VD0 7Gm 0 2nVD0 7nVD極間電壓 對于銀 鎂倍增極 0 025VDGm 0 025nVDn 2 2 3光電倍增管的基本特性 已知SK 20 A lm Gm 105 額定Ia 200 A求允許的最大入射光通量 SA GmSK 2 106 A lm IA SA 10 4 lm 已知陰極面積AK 2cm2 允許的最大入射照度 E AK 0 5 lx 接近天頂?shù)臐M月在地面所產(chǎn)生的照度為0 2lx 2 2 3光電倍增管的基本特性 2 2 3光電倍增管的基本特性 3 伏安特性 當(dāng)入射光通量一定時 陰極光電流 發(fā)射電流 IK和第一倍增極之間電壓 陰極電壓 VK的關(guān)系稱為陰極伏安特性 陰極伏安特性 2 2 3光電倍增管的基本特性 陽極伏安特性 在電路設(shè)計時 一般使用陽極伏安特性曲線來進行負載電阻 輸出電流 輸出電壓的計算 當(dāng)入射光通量一定時 陽極電流Ia和陽極電壓 最后一極倍增極與陽極之間的電壓 Va的關(guān)系稱為陽極伏安特性 2 2 3光電倍增管的基本特性 陽極伏安特性 有一飽和區(qū) Va 50V時 陽極電流趨于飽和 飽和區(qū)內(nèi) 光通量越大 達到飽和的電流越大 曲線有很長的水平區(qū) 說明PMT是高內(nèi)阻器件 有恒流源性質(zhì) 可通過加大負載來得到大的輸出電壓 曲線水平部分間隔均勻 說明PMT是良好的線性器件 陽極電壓非常大時 曲線略微下降 因為末二極的電子部分越過最后一極直接被陽極吸收使放大倍數(shù)下降 光電倍增管的輸出信號和等效電路 2 2 3光電倍增管的基本特性 C0 雜散電容RL 負載電阻in2 散粒噪聲inR2 電阻熱噪聲iA 陽極電流 4 暗電流 無光照時光電倍增管的輸出電流 引起暗電流的原因有 熱電子發(fā)射 漏電流極間絕緣不夠 管子外殼不清潔 場致發(fā)射105伏 厘米 離子反饋和光反饋殘存氣體離子電離 熒光 2 2 3光電倍增管的基本特性 級際電壓與暗電流 級際電壓 50V暗電流主要是極間漏電流 50 100V熱電子發(fā)射電流 PMT正常工作范圍 100V出現(xiàn)離子反饋和光反饋 工作不穩(wěn)定 再加電壓導(dǎo)致場致發(fā)射 2 2 3光電倍增管的基本特性 減少暗電流的方法 直流補償 選頻和鎖相放大 致冷 電磁屏蔽 磁場散焦 暗電流的溫度特性 5 疲勞 可逆PMT在瞬間或短期強光照射下 靈敏度下降 但存放一定時期后可以恢復(fù) 不可逆過分強光照射 靈敏度下降不可恢復(fù) 嚴重時燒毀 工作時 陽極電流不得超過額定值 2 2 3光電倍增管的基本特性 6 噪聲 光電倍增管的噪聲主要是散粒噪聲 包括陰極電流產(chǎn)生的噪聲和各級倍增級產(chǎn)生的噪聲 n 1 上式表明 由于倍增過程的起伏使陽極散粒噪聲增大 假設(shè) 1 2 n n Gm 2 2 3光電倍增管的基本特性 其中 為使系數(shù)K保持最小 必須在光電倍增管的陰極與第一倍增極之間加較高的電壓 以增大 1 若 2 n n Gm IK IS IB ID SK S B D S B為信號和背景輻射通量 D ID D為暗電流折合輻射通量 2 2 3光電倍增管的基本特性 7 時間特性 上升時間 渡越時間 渡越時間離散 2 2 3光電倍增管的基本特性 描述光電倍增管的時間特性有三個參數(shù) 由于光電倍增管響應(yīng)速度很高 所以時間特性的參數(shù)是在用極窄脈沖的 函數(shù)光脈沖作用于光陰極時測得的 用 函數(shù)光脈沖照射光電倍增管全陰極時 由于光陰極的中心和周邊位置所發(fā)射的光電子飛渡到倍增極歷經(jīng)時間不同 造成陽極電流脈沖的展寬 展寬程度與倍增管的結(jié)構(gòu)有關(guān) 陽極電流脈沖幅度從最大值的10 上升到90 所經(jīng)過的時間 定義為上升時間或響應(yīng)時間 從 函數(shù)光脈沖的頂點到陽極電流輸出最大值所經(jīng)歷的時間定義為渡越時間 由于電子初速度 電子透鏡場分布不一樣 電子走過的路不同 在重復(fù)光脈沖輸入時 渡越時間每次略有不同 有一定起伏 此稱為渡越時間分散 散差 渡越時間分散 渡越時間分散將使管子輸出脈沖重疊而不能分辨 所以渡越時間分散代表時間分辨率 通常光陰極在重復(fù) 光脈沖照射下 取陽極輸出脈沖上的某一特定點出現(xiàn)時間作出時間譜 見圖 取其曲線的半寬度定義為渡越時間分散FWHM 8 磁場特性 2 2 3光電倍增管的基本特性 大部分光電倍增管都會受到周圍環(huán)境磁場的影響 光電子在磁場影響下會偏離正常的運動軌跡 引起光電倍增管靈敏度下降 噪聲增加 磁屏蔽 為減少磁場影響 一般都需在管子外部加一個金屬磁屏蔽筒 金屬屏蔽要與陰極電位相連 否則引起暗電流和噪聲增大 在對抗磁場要求特別高時 可采用微通道板式PMT 屏蔽筒長度比倍增管長度長2R 9 空間均勻性 光電倍增管的空間均勻性主要由光電陰極表面的均勻性和倍增極的結(jié)構(gòu)決定 2 2 3光電倍增管的基本特性 非均勻性主要表現(xiàn)在光陰極面空間靈敏度不均勻 對于X Y平面作二維掃描 測PMT的響應(yīng) 得到如圖的分布 響應(yīng)波動0 2 2 8倍平均值 原因 百葉窗式PMT的每個窗口 陰極連接部分的不均勻分布 對雷達信號的影響 模擬一個雷達信號 距離1000m 分辨率15m 信號分布如圖 加不同的衰減 加平凸鏡 使光線匯聚在均勻面上 消除非線性的方法 10 偏振效應(yīng) 當(dāng)線偏振光以一定角度入射到光電陰極面上時 改變偏振面 陽極電流也會發(fā)生相應(yīng)變化 此時最好在倍增管前安裝漫射器 以減少這種誤差 11 PMTafterpulse afterpulse是PMT中尾隨探測信號出現(xiàn)的一個或一系列脈沖信號 由于afterpulse的存在 導(dǎo)致所測得的信號不準確 對于我們的測量都會產(chǎn)生影響 對于afterpulse的研究 有助于我們更好的了解PMT 并對測量的誤差作出校正 產(chǎn)生原因 PMT中應(yīng)該是真空 但由于長期使用 外界的氣體滲漏進管中 對于某些弱閃爍光信號 經(jīng)?？梢杂^察到持續(xù)幾十毫秒的afterpulse 尤其是5us和40us時的afterpulse 主脈沖產(chǎn)生的電子使得管子中的氣體電離 產(chǎn)生陽離子 這些陽離子被電場作用打在光陰極上 激發(fā)出電子 形成了afterpulse 產(chǎn)生afterpulse的主要離子是H He2 H2 He O2 O 2 2 4光電倍增管的使用 1 供電電路 2 使用須知 1 供電電路 倍增管各電極要求直流供電 2 2 4光電倍增管的使用 從陰極開始至各級的電壓要依次升高 一般多采用電阻鏈分壓辦法來供電 一般情況下 各級電壓均相等 約80 150V 總電壓約900 2000V 電源的極性 一種是負高壓 一種是正高壓 各有優(yōu)缺點 接地方式 陰極接地或陽極接地 負高壓 2 2 4光電倍增管的使用 陽極接近于地電位 但陰極處于高電位 管殼附近處于地電位的導(dǎo)體可能引起暗電流和噪聲的增大 屏蔽罩不能跟陰極靠得很近 操作安全 便于跟后面的放大器相接 可通過一個低壓耦合電容與交流放大器相接 也可直接與直流放大器相接 這樣對直流光的測量或快速光信號的觀測極為方便 可以直流輸出 小電流放大器或高頻同軸電纜可直接與陽極相連 高頻傳輸特性好 正高壓 2 2 4光電倍增管的使用 便于屏蔽 光 磁 電的屏蔽罩可以跟陰極靠得近些 屏蔽效果好 由于負高壓供電簡單 所以多采用負高壓 但由于陽極處于高電位 匹配電纜連接復(fù)雜 特別是后面若接直流放大器 整個放大器都處于高電壓 不利于安全操作 暗電流小 噪聲低 如果后面接交流放大器 則必須接一個耐壓很高的隔直電容器 而一般耐壓很高的電容器體積大而且價格高 影響高頻傳輸特性 分壓器 分壓器的功能 2 2 4光電倍增管的使用 分壓器一般由一個電源和若干個分壓電阻 有的分壓器還有齊納二極管 構(gòu)成 供給光電倍增管各個電極一個合適的電位分布 使收集效率高 對快速管來說還要求度越時間分散小 信號通過管子期間供給各電極足夠的信號電流 特別是在輸出大電流時要保證光電倍增管仍處于線性工作狀態(tài) 分壓器的設(shè)計 不適當(dāng)?shù)姆謮浩骺赡苁咕€性 分辨率和穩(wěn)定性等參數(shù)變壞 2 2 4光電倍增管的使用 分壓器決定了PMT的供電狀態(tài) 而管子的供電狀態(tài)又取決于管子的用途 必須根據(jù)不同的工作要求設(shè)計不同的分壓器 沒有萬能的 通用的 如果要求分壓器在一定的工作電壓下放大倍數(shù)最高 那么線性就要受到影響 分壓器通?？杉毞譃槿糠?前極 中間極和后極 2 2 4光電倍增管的使用 適當(dāng)提高第一倍增極和陰極之間的電壓 可提高第一倍增極對光電子的收集效率 對弱光測量尤為重要 分壓器的前極對PMT的參數(shù)影響較大 陰極與第一倍增極之間較高的場強 使第一倍增極具有較高的二次發(fā)射系數(shù) 有利于提高單電子幅度分辨率 信噪比和脈沖幅度分辨率等參數(shù) 另外可減少渡越時間 提高響應(yīng)速度 提高第一倍增極和陰極間電壓的方法是增大分壓電阻R1的值 在測量快速脈沖時 建議用齊納穩(wěn)壓管代替R1 來保持第一倍增極電位穩(wěn)定 前極 2 2 4光電倍增管的使用 無論是測量直流光信號還是脈沖光信號 中間極一般都采用均勻的電阻分布 倍增管的輸出電流主要是來自于最后幾級 探測脈沖光時 為了不使陽極脈動電流引起極間電壓發(fā)生大的變化 常在最后幾級的分壓電阻上并聯(lián)電容器 中間極 對直流光信號的測量 后極也采用均勻分布 對脈沖信號測量后極一般是非均勻分布的 適當(dāng)增大后幾級的分壓電阻 使最后幾個倍增極之間有效高的電場來避免空間電荷效應(yīng) 后極 測量直流光信號 要保持線性 分壓鏈電流IR一般不小于陽極最大輸出電流的20倍 2 2 4光電倍增管的使用 測量脈沖信號 脈沖電流大 但平均電流不大時 可在分壓器的后幾個電阻上并聯(lián)儲能電容0 002 0 05