華中科技大學(xué)《光電探測(cè)》3光電子發(fā)射探測(cè)器

1、3光電子發(fā)射探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)器 真空光電器件是基于外光電效應(yīng)（光電子發(fā)射 效應(yīng)）制成的光電探測(cè)器。 Photoemissive：簡(jiǎn)稱PE探測(cè)器 真空光電器件 光電管 光電倍增管 特點(diǎn)：靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和噪聲小 探測(cè)微弱信號(hào) 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓高，體積大 3.1 光電陰極 一、光電陰極的主要參數(shù) 1.靈敏度 光照靈敏度: 光譜靈敏度 在光電子發(fā)射探測(cè)器中，具有光電子發(fā)射效 應(yīng)的材料稱為光電陰極。 完成光電轉(zhuǎn)換的功能 光電陰極材料的性能的好壞直接決定探測(cè)器 的性能。 .量子效率 它表示一定波長(zhǎng)的光子入射到光電陰極時(shí)，該陰 極所發(fā)射的光電子數(shù)Ne()與入射的光子數(shù)Np()之

2、比。也稱量子產(chǎn)額Q() 3.光譜響應(yīng)曲線 .熱電子發(fā)射： 引起噪聲，限制探測(cè)靈敏度 二、銀氧銫(Ag-O-Cs)光電陰極 350nm, 800nm 三、單堿銻化物光電陰極 金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫中的一 種化合，能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射體。 最常用的是銻化銫，其陰極靈敏度最高，廣 泛用于紫外和可見光區(qū)的光電探測(cè)器中。 四、多堿銻化物光電陰極 當(dāng)銻和幾種堿金屬形成化合物時(shí)， 具有更高的響應(yīng)率 五、紫外光電陰極 通常來(lái)說對(duì)可見光靈敏的光電陰極對(duì)紫外光也 有較高的量子效率。有時(shí)，為了消除背景輻射 的影響，要求光電陰極只對(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)。 這樣的光電陰極有碲化

3、銫(CsTe, 320nm)和碘化 銫(CsI, 200nm) 六、負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極 電子親和勢(shì)是指半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部到真空能 級(jí)間的能量值，表示了發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，電子 逸出的難易程度。 常規(guī)的光電陰極屬于正電子親和勢(shì)(PEA) 類型，即表面的真空能級(jí)位于導(dǎo)帶之上。 如果給半導(dǎo)體的表面作特殊處理，使表面 區(qū)域能帶彎曲，真空能級(jí)降低到導(dǎo)帶之下，從 而使有效的電子親和勢(shì)為負(fù)值，經(jīng)過特殊處理 的陰極稱作負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極(NEA)。 EA1 Eg1 Eg2 EA2 Ev1 Ec1 E0 Ec2 Ev2 Si Cs2O Ev1 EC1 Ef EAe E0 Ed EA2 Ev2 + + + - - -

4、 Si-CsO2光電陰極：在p型Si 基上涂一層金屬Cs，經(jīng)過特 殊處理而形成n型Cs2O。 在交界區(qū)形成耗盡層，耗盡 區(qū)的電位下降Ed,造成能帶 彎曲。 對(duì)于P型Si的發(fā)射閾值是 Ed1=EA1+Eg1,電子進(jìn)入導(dǎo)帶后需 要克服親和勢(shì)EA1才能逸出表面。 從Si的導(dǎo)帶底部漂移到表面Cs2O的導(dǎo)帶底部。此 時(shí)，電子只需克服EA2就能逸出表面。對(duì)于P型Si 的光電子需克服的有效親和勢(shì)為 EAe=EA2-Ed 由于能級(jí)彎曲，使EdEA2,這樣就形成了負(fù)電子親 和勢(shì)。 負(fù)電子親和勢(shì)陰極與正電子親和勢(shì)陰極的區(qū)別： 1.參與發(fā)射的電子是導(dǎo)帶的熱化電子，或稱為 “冷”電子； .NEA陰極中導(dǎo)帶的電子逸入真

5、空不需作功。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1.高吸收，低反射性質(zhì)； 2.高量子效率，50%60%, 長(zhǎng)波到達(dá)9%; 3.光譜響應(yīng)可以達(dá)到1m以上； 4.冷電子發(fā)射光譜能量分布較集中，接近高斯分布 5.光譜響應(yīng)平坦； 6.暗電流??； 7.在可見、紅外區(qū)，能獲得高響應(yīng)度； 8.工藝復(fù)雜，售價(jià)昂貴。 3.2 光電管與光電倍增管的工作原理 一、真空光電管一、真空光電管 1、結(jié)構(gòu)與工作原理 真空光電管構(gòu)造示意圖真空光電管構(gòu)造示意圖 真空光電管由玻殼、 光電陰極和陽(yáng)極三部 分組成 。 光電陰極光電陰極即半導(dǎo)體光電發(fā)射材料，涂于玻殼內(nèi) 壁，受光照時(shí)，可向外發(fā)射光電子。陽(yáng)極陽(yáng)極是金 屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極的對(duì)面，加正的

6、 高電壓，用來(lái)收集從陰極發(fā)射出來(lái)的電子。 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)20200A/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(diǎn)：真空光電管體積大、 工作電壓高,達(dá)百伏到數(shù)百伏、 玻殼容易破碎等 二、光電倍增管二、光電倍增管 1、光電倍增管組成及工作原理 光電倍增管由五個(gè)主要部分組成： 光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、 電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極。 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(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

7、二次電子二次電子。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)過倍增后的二次電子由陽(yáng)極收集，形成陽(yáng) 極光電流。 光電倍增管工作原理圖 .入射窗口和光電陰極結(jié)構(gòu)入射窗口和光電陰極結(jié)構(gòu) 硼硅玻璃硼硅玻璃 這是一種常用的玻璃材料，可以透過從近紅 外至300nm的入射光，但不適合于紫外區(qū)的探測(cè)。無(wú)鉀 玻璃中只有極低含量的鉀，其中的K40會(huì)造成暗計(jì)數(shù)。 所以通常用于閃爍計(jì)數(shù)的光電倍增管不僅入射窗，而且 玻璃側(cè)管也使用無(wú)鉀玻璃，就是為了降低暗計(jì)數(shù) 透紫玻璃（透紫玻璃（UVUV玻璃）玻璃） 這種玻璃材料就象其名字所表達(dá) 的那樣，可以很好地透過紫外光，和硼硅玻璃一樣被廣 泛使用。分光應(yīng)用領(lǐng)域一般都

8、要求用透紫玻璃，其截止 波長(zhǎng)可接近185nm。 窗口材料 合成石英合成石英合成石英可以將透過的紫外光波長(zhǎng)延伸至 160nm，并且在紫外區(qū)比熔融石英玻璃有更低的吸收。合 成石英材料的膨脹系數(shù)與芯柱用玻璃的膨脹系數(shù)有很大差 別，所以，用熱膨脹系數(shù)漸變的封接材料與合成石英逐漸 過渡。因此，此類光電倍增管的強(qiáng)度易受外界震動(dòng)的破壞， 使用中要采取足夠的保護(hù)措施。 氟化鎂（鎂氟化物）氟化鎂（鎂氟化物）該材料具有極好的紫外線透過性，但 同時(shí)也有易潮解的不利因素。盡管如此，氟化鎂仍以其接 近115nm的紫外透過能力而成為一種實(shí)用的光窗材料。 .電子光學(xué)系統(tǒng) 電子光學(xué)系統(tǒng)是適當(dāng)設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)， 作用：使前一級(jí)發(fā)

9、射出來(lái)的電子盡可能沒有散失地落到 下一個(gè)倍增極上，即使下一級(jí)的收集率接近1； 并使前一級(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)間零散最小。 4.電子倍增極電子倍增極 二次電子發(fā)射：具有足夠動(dòng)能的電子轟擊某些材 料時(shí)，材料表面將發(fā)射新的電子。 二次發(fā)射系數(shù)：二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射的一 次電子數(shù)N1的比值 1 2 N N 倍增級(jí)結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在使用的電子倍增系統(tǒng)主要有以下幾類： 環(huán)形聚焦型環(huán)形聚焦型 環(huán)形聚焦型結(jié)構(gòu)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。 盒柵型盒柵型 這種結(jié)構(gòu)包括了一系列的四分之一圓柱形 的倍增極，并因其相對(duì)簡(jiǎn)單的倍增極

10、結(jié)構(gòu)和一致性的 改良而被廣泛地應(yīng)用于端窗型光電倍增管，但在一些 應(yīng)用中，其時(shí)間響應(yīng)可能略顯緩慢。 直線聚焦型直線聚焦型直線聚焦型因其極快的時(shí)間響應(yīng)而被 廣泛地應(yīng)用于要求時(shí)間分辨和線性脈沖研究用 的端窗型光電倍增管中。 百葉窗型百葉窗型百葉窗型結(jié)構(gòu)因倍增極可以較大而被用于大 陰極的光電倍增管中，其一致性較好，可以有大的脈 沖輸出電流。這種結(jié)構(gòu)多用于不太要求時(shí)間響應(yīng)的場(chǎng) 合。 細(xì)網(wǎng)型細(xì)網(wǎng)型 細(xì)網(wǎng)型結(jié)構(gòu)擁有封閉的精密組合的網(wǎng)狀倍增 極，而使其具有極強(qiáng)的抗磁性、一致性和脈沖線性輸出特 性。另外，當(dāng)使用交疊陽(yáng)極或多陽(yáng)極結(jié)構(gòu)輸出情況下，還 具有位置靈敏特性。 微通道板（微通道板（MCPMCP）型）型 MC

11、P是上百萬(wàn)的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成為 薄形盤片狀而形成。每個(gè)通道都是一個(gè)獨(dú)立的電子倍增 器。MCP比任何分離電極倍增極結(jié)構(gòu)具有超快的時(shí)間響 應(yīng)，并且當(dāng)采用多陽(yáng)極輸出結(jié)構(gòu)時(shí)，在磁場(chǎng)中仍具有良 好的一致性和二維探測(cè)能力。 5.陽(yáng)極 陽(yáng)極作用是接收從末級(jí)倍增極發(fā)射出的二次電 子，通過引線向外輸出電流。對(duì)于陽(yáng)極的結(jié)構(gòu) 要求具有較高的電子收集率，能承受較大的電 流密度，并且在陽(yáng)極附近的空間不至于產(chǎn)生空 間電荷效應(yīng) 3.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù) 一、靈敏度一、靈敏度 靈敏度是衡量光電倍增管探測(cè)光信號(hào)能力的一個(gè) 重要參數(shù) 光譜響應(yīng)陰極靈敏度陽(yáng)極靈敏度 陰極光照靈敏度：陰

12、極光照靈敏度： 陰極輸出光電流Ik與入射到光電陰極面上的光通 量之比： k k I S G V +HV E A EA II S kk k 10-510-2 lm 陽(yáng)極光照靈敏度陽(yáng)極光照靈敏度 表示光電倍增管在接收分布溫度為2856K的光輻射 時(shí)陽(yáng)極輸出電流與入射光通量的比值： p p I S G VHV E A 10-1010-6 lm 二、放大倍數(shù)二、放大倍數(shù)( (增益增益) ) 光電倍增管的陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流，可以放大 成較大的陽(yáng)極輸出電流： 二次電子發(fā)射，產(chǎn)生多于光電子數(shù)目的電子流。 連續(xù)地重復(fù)這一過程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射 被陽(yáng)極收集，從而達(dá)到了電流放大的作用。 電流增

13、益就是光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與陰極光電子電電流增益就是光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與陰極光電子電 流的比值流的比值。 在理想情況下，具有n個(gè)倍增極，每個(gè)倍增極的平均二次 電子發(fā)射率為的光電倍增管的電流增益為 n。二次電子 發(fā)射率由下式給出： 8 . 07 . 0, CV 這里的C為一常數(shù)，V為極間電壓，為一由倍增極材料 及其幾何結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)，的數(shù)值一般介于0.7和0.8 之間。 如果光電倍增有n級(jí)倍增級(jí)，那么光電陰極發(fā)射 的光電流經(jīng)過各級(jí)倍增極倍增后，從陽(yáng)極輸出的 電流: )()( 22110nnkp II 為電子光學(xué)系統(tǒng)的收集率； . n 倍增極的電子收集率 1 2 n倍增極二次電子發(fā)射系數(shù)

14、 設(shè)陽(yáng)極電子收集率為1， 如果各倍增極的電子收 集率和二次電子發(fā)射系 數(shù)，那么光電倍增管的 放大倍數(shù) knnk n k p AV n V C I I M ) 1 ( )( 0 0 k p S S M 放大倍數(shù)也可以表示為 V dV kn M dM 三、暗電流三、暗電流 暗電流是指在施加規(guī)定的電壓后，在無(wú)光照情況 下測(cè)定的陽(yáng)極電流。 暗電流決定光電倍增管的極限靈敏度 暗 電 流 組 成 熱電子發(fā)射 極間漏電流 殘余氣體的離子發(fā)射 玻璃閃爍 場(chǎng)致發(fā)射 減 小 暗 電 流 的 方 法 直流補(bǔ)償 選頻和鎖相放大 致冷 電磁屏蔽法 磁場(chǎng)散焦法 PMT 四、噪聲 散粒噪聲 閃爍噪聲 電阻熱噪聲 五、伏安特

15、性 .陰極伏安特性 當(dāng)入射光通量一定時(shí)，陰極光電流與陰 極和第一倍增極之間的電壓關(guān)系. Ik(nA) 3 1 2 Vk(V) 2.陽(yáng)極伏安特性 當(dāng)入射光通量一定時(shí)，陽(yáng)極光電流與最后 一級(jí)倍增極和陽(yáng)極之間的電壓關(guān)系 Ik(uA) 3 1 2 Vp(V) 六、線性 造成非線性的原因: (1)內(nèi)因空間電荷、光電陰極的電阻率、 聚集或收集率的變化； (2)外因由于信號(hào)電流造成負(fù)載電阻的負(fù) 反饋和電壓的再分配。 七、穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指陽(yáng)極電流隨工作時(shí)間的變化，它在閃 爍記數(shù)和光度測(cè)量中顯得很重要。 .靈敏度的慢漂移 2.滯后效應(yīng) 八、響應(yīng)時(shí)間： 入射光變化 輸出電信號(hào)的變化 1. 上升時(shí)間 2. 渡越時(shí)

16、間 九、磁場(chǎng)特性 磁場(chǎng)變化時(shí)，光電子運(yùn)動(dòng)軌跡的偏移 3.4 光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路 一、高壓供電 .供電電壓的極性 陽(yáng)極接地負(fù)高壓供電：陽(yáng)極接地負(fù)高壓供電：陽(yáng)極信號(hào)輸出方便， 可以直流輸出。但由于陰極屏蔽困難，陽(yáng) 極輸出暗電流和噪聲較大。 陰極接地的正高壓供電：陰極接地的正高壓供電：陽(yáng)極信號(hào)輸出 必須通過耐高壓、噪聲小的隔直流電容 器，因此只能輸出交流信號(hào)。但可以得 到較低的暗電流和噪聲。 、分壓器設(shè)計(jì) G K P R1R2R3R4R5R7R6 1.DC輸出型 理想曲線 真實(shí)曲線 入射光通量 輸出電流與分 壓器電流比 2脈沖輸出型 G K P R1R2R3R4R5R7R6 二、信號(hào)輸出

17、 光電倍增管輸出一個(gè)電流信號(hào)，而與其相聯(lián) 的后續(xù)電路，一般是基于電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的，因 此，常用一個(gè)負(fù)載電阻來(lái)完成電流-電壓的轉(zhuǎn)換。 在此，我們來(lái)研究一下負(fù)載電阻的選取。由于光 電倍增管輸出電流很小，而且實(shí)際上常常將其看 作一個(gè)恒流源，因此，一般認(rèn)為負(fù)載電阻可以任 意大地選取，從而從一個(gè)較低的電流信號(hào)，得到 一個(gè)很高的電壓信號(hào)。但是實(shí)際上，較大的負(fù)載 電阻會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)和輸出線性的惡化。 若負(fù)載電阻為RL，光電倍增管陽(yáng)極和其它電極之 間的靜電電容量以及由于布線等引起的雜散電容 量的總和為Cs，則截止頻率fc： 上式可以看到，盡管光電倍增管和放大器有極快的 響應(yīng)時(shí)間，輸出線路響應(yīng)也將受到截止頻率f

18、c的限 制。如果負(fù)載電阻RL值較高，在較高輸出電流情況 下，負(fù)載電阻將導(dǎo)致陽(yáng)極電位電壓降增大，造成陽(yáng) 極-末倍增極電壓降低，從而降低了輸出線性（輸 出電流與入射光的比例關(guān)系）。 Ls c RC f 2 1 .運(yùn)算放大器輸出 PMT V Rf Cf pf IRV 0 輸出的電壓 這是一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成 的IV(電流電壓)轉(zhuǎn)換器 3.5 光電倍增管的應(yīng)用 一、光譜學(xué)光譜學(xué)-利用光吸收原理利用光吸收原理 1.1.紫外紫外/可見可見/近紅外分光光度計(jì)近紅外分光光度計(jì) 光通過物質(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。 2.2.原子吸收分光光度計(jì)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，需要專用的元素?zé)簦?射燃燒并霧化分離成原子狀態(tài)的被測(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。 二、利