光電技術(shù)第6講 ppt課件

1、真空光電器件是基于外光電效應(yīng)的光電探測器。光電發(fā)射器件光電發(fā)射器件 Photoemissive Device Photoemissive Device 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、呼應(yīng)速度快和噪聲小缺陷：構(gòu)造復(fù)雜，任務(wù)電壓高，體積大4.1 光電發(fā)射陰極 4.1.1 4.1.1 光電發(fā)射陰極的主要參數(shù)光電發(fā)射陰極的主要參數(shù) 光電發(fā)射陰極的主要特性參數(shù)為靈敏度、量子效率、光譜呼應(yīng)和暗電流等。1. 靈敏度 光電發(fā)射陰極的靈敏度應(yīng)包括光譜靈敏度、積分靈敏度和色光靈敏度。 1) 光譜靈敏度 定義在單色單一波長輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極輸出電流Ik與單色輻射通量e,之比為光電

2、陰極的光譜靈敏度Se,。,ke,eIS其量綱為A/W或A/W。量綱為mA/W或A/W。ekIIS0e,ked 2) 積分靈敏度定義：在某波長范圍內(nèi)的積分輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極輸出電流Ik與入射輻射通量e之比為光電陰極的積分靈敏度Se。在可見光波長范圍內(nèi)的“白光作用于光電陰極時(shí)，光電陰極電流Ik與入射光通量v之比為光電陰極的白光靈敏度Sv。量綱為mA/lmvkvIIS780380v,kd2.量子效率 定義在單色輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極發(fā)射單位時(shí)間發(fā)射出去的光電子數(shù)Ne,與入射的光子數(shù)之比為光電陰極的量子效率或稱量子產(chǎn)額。即 。 p,e,NN 量子效率和光譜靈敏度是一個(gè)物理量的兩種表

3、示方法。它們之間的關(guān)系為 e,e,e,k1240qhc/q/SShI3. 光譜呼應(yīng) 光電發(fā)射陰極的光譜呼應(yīng)特性用光譜呼應(yīng)特性曲線光電發(fā)射陰極的光譜呼應(yīng)特性用光譜呼應(yīng)特性曲線描畫。光電發(fā)射陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻描畫。光電發(fā)射陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關(guān)系曲線稱為光譜呼應(yīng)。射波長的關(guān)系曲線稱為光譜呼應(yīng)。 4. 暗電流 光電發(fā)射陰極中少數(shù)處于較高能級的電子在室溫下獲得了熱能產(chǎn)生熱電子發(fā)射，構(gòu)成暗電流。光電發(fā)射陰極的暗電流與資料的光電發(fā)射閾值有關(guān)。普通光電發(fā)射陰極的暗電流極低，其強(qiáng)度相當(dāng)于10-1610-18Acm-2的電流密度。 1、銀氧銫(Ag-O-Cs)光電陰極350

4、nm,800nm4.1.2 光電陰極資料 2、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，能構(gòu)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)的光電探測器中。3、多堿銻化物光電陰極當(dāng)銻和幾種堿金屬構(gòu)成化合物時(shí)，具有更高的呼應(yīng)率 銻銫(Cs3Sb)光電陰極是最常用的，量子效率很高的光電陰極。長波限約為650nm，對紅外不靈敏。銻銫陰極的峰值量子效率較高，普通高達(dá)20%30%，比銀氧銫光電陰極高30多倍。兩種或三種堿金屬與銻化合構(gòu)成多堿銻化物光陰極。其量子效率峰值可高達(dá)30% 。 4、負(fù)電子親和勢光電陰極常規(guī)的光電陰極屬于正電子親和勢(P

5、EA)類型，即外表的真空能級位于導(dǎo)帶之上。假設(shè)給半導(dǎo)體的外表作特殊處置，使外表區(qū)域能帶彎曲，真空能級降低到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢為負(fù)值，經(jīng)過特殊處置的陰極稱作負(fù)電子親和勢光電陰極(NEA)。1963年Simon根據(jù)半導(dǎo)體物理的研討提出了負(fù)電子親和勢的實(shí)際，1965年J.J.Scheer和J.V.Laar首先研制出了GaAsCs負(fù)電子親和勢陰極。EA1Eg1Eg2EA2Ev1Ec1E0Ec2Ev2SiCs2OEv1EC1EfEAeE0EdEA2Ev2+-Si-CsO2光電陰極：在p型Si基上涂一層金屬Cs，經(jīng)過特殊處置而構(gòu)成n型Cs2O。在交界區(qū)構(gòu)成耗盡層，耗盡區(qū)的電位下降Ed,呵斥能

6、帶彎曲。對于P型Si的發(fā)射閾值是Ed1=EA1+Eg1,電子進(jìn)入導(dǎo)帶后需求抑制親和勢EA1才干逸出外表。由于外表存在n型薄層，使耗盡區(qū)的電位下降，外表電位降低Ed。光電子在外表遭到耗盡區(qū)電場的作用。從Si的導(dǎo)帶底部漂移到外表Cs2O的導(dǎo)帶底部。此時(shí)，電子只需抑制EA2就能逸出外表。對于P型Si的光電子需抑制的有效親和勢為EAe=EA2-Ed由于能級彎曲，使EdEA2,這樣就構(gòu)成了負(fù)電子親和勢。負(fù)電子親和勢陰極與正電子親和勢陰極的區(qū)別在于：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)帶的電子逸入真空不需作功。特點(diǎn)：1.高吸收，低反射性質(zhì)；2.高量子效率，50%60%;3.

7、光譜呼應(yīng)可以到達(dá)1um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.光譜呼應(yīng)平坦；6.暗電流小；7.在可見、紅外區(qū)，能獲得高呼應(yīng)度；8.工藝復(fù)雜，售價(jià)昂貴。一、真空光電管任務(wù)原理一、真空光電管任務(wù)原理1、構(gòu)造與任務(wù)原理真空光電管構(gòu)造表示圖真空光電管構(gòu)造表示圖 真空光電管由玻殼、光電陰極和陽極三部分組成 。4.2 真空光電管與光電倍增管的任務(wù)原理 (phototube) 光電陰極即半導(dǎo)體光電發(fā)射資料，涂于玻殼內(nèi)壁，光電陰極即半導(dǎo)體光電發(fā)射資料，涂于玻殼內(nèi)壁，受光照時(shí)，可向外發(fā)射光電子。陽極是金屬環(huán)或受光照時(shí)，可向外發(fā)射光電子。陽極是金屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極的對面，加正的高電壓，金屬

8、網(wǎng)，置于光電陰極的對面，加正的高電壓，用來搜集從陰極發(fā)射出來的電子。用來搜集從陰極發(fā)射出來的電子。 特點(diǎn)：光電陰極面積大，靈敏度較高，普通積分靈敏度可達(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。 缺陷：真空光電管普通體積都比較大、任務(wù)電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎等 光照生電子在電場的作用下運(yùn)動，途中與惰性氣體原子碰撞而電離，電離又產(chǎn)生新的電子，它與光電子一同都被陽極搜集，構(gòu)成數(shù)倍于真空型光電管的光電流 。充氣型光電管的任務(wù)原理4.2.2 光電倍增管組成及任務(wù)原理 光電倍增管(Photomultiplier Tube (PMT) 是一種真空光電發(fā)射器件。光入

9、射窗光電陰極電子光學(xué)系統(tǒng)倍增極陽極A photomultiplier tube, useful for light detection of very weak signals, is a photoemissive device in which the absorption of a photon results in the emission of an electron. These detectors work by amplifying the electrons generated by a photocathode exposed to a photon flux. Photo

10、multipliers acquire light through a glass or quartz window that covers a photosensitive surface, called a photocathode, which then releases electrons that are multiplied by electrodes known as metal channel dynodes. At the end of the dynode chain is an anode or collection electrode. Over a very larg

11、e range, the current flowing from the anode to ground is directly proportional to the photoelectron flux generated by the photocathode. 任務(wù)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)，分開外表發(fā)射到真空中;3.光電子經(jīng)過電場加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增級上，倍增級將發(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極搜集，構(gòu)成陽極光電流。1 1倍增極資料倍增極資

12、料 銻化銫CsSb資料具有很好的二次電子發(fā)射功能，它可以在較低的電壓下產(chǎn)生較高的發(fā)射系數(shù)，電壓高于400V時(shí)的二次發(fā)射系數(shù)值可高達(dá)10倍。 氧化的銀鎂合金資料也具有二次電子發(fā)射功能，它與銻化銫相比二次電子發(fā)射才干稍差些，但它可以任務(wù)在較強(qiáng)電流和較高的溫度150。 1. PMT的入射窗構(gòu)造 2. 倍增極構(gòu)造4.2.3 光電倍增管的構(gòu)造 銅-鈹合金鈹?shù)暮繛?%資料也具有二次電子發(fā)射功能，不過它的發(fā)射系數(shù)比銀鎂合金更低些。 新開展起來的負(fù)電子親和勢資料GaPCs，具有更高的二次電子發(fā)射功能，在電壓為1000V時(shí)，倍增系數(shù)可大于50或高達(dá)200。 2 倍增極構(gòu)造倍增極構(gòu)造 光電倍增管按倍增極構(gòu)造可分

13、為聚焦型與非聚光電倍增管按倍增極構(gòu)造可分為聚焦型與非聚焦型兩種。非聚焦型光電倍增管有百葉窗型圖焦型兩種。非聚焦型光電倍增管有百葉窗型圖4-4a與盒柵式圖與盒柵式圖4-4b兩種構(gòu)造；兩種構(gòu)造；聚焦型有瓦片靜電聚焦型圖聚焦型有瓦片靜電聚焦型圖4-4c和圓形和圓形鼠籠式圖鼠籠式圖4-4d兩種構(gòu)造。兩種構(gòu)造。 4.3 光電倍增管的根本特性 4.3.1 靈敏度 1 1、陰極靈敏度、陰極靈敏度 定義光電倍增管陰極電流定義光電倍增管陰極電流IkIk與入射光譜輻射通量之比與入射光譜輻射通量之比為陰極的光譜靈敏度，并記為為陰極的光譜靈敏度，并記為 e,k ,kIS 假設(shè)入射輻射為白光，那么以陰極積分靈敏度，假設(shè)

14、入射輻射為白光，那么以陰極積分靈敏度，IKIK與與光譜輻射通量的積分之比，記為光譜輻射通量的積分之比，記為Sk Sk 0e,kkdISGV+HVEAEAIISkkk10-510-2lm 2、陽極靈敏度 定義光電倍增管陽極輸出電流Ia與入射光譜輻射通量之比為陽極的光譜靈敏度，并記為 e,a ,aIS假設(shè)入射輻射為白光，那么定義為陽極積分靈敏度，記假設(shè)入射輻射為白光，那么定義為陽極積分靈敏度，記為為Sa Sa 0e,aadISGVHVEA10-1010-6lmn4.3.2 4.3.2 電流放大倍數(shù)增益電流放大倍數(shù)增益 電流放大倍數(shù)表征了光電倍增管的內(nèi)增益特性，它不但與倍增極資料的二次電子發(fā)射系數(shù)有

15、關(guān)，而且與光電倍增管的級數(shù)N有關(guān)。理想光電倍增管的增益G與電子發(fā)射系數(shù)的關(guān)系為 NG 當(dāng)思索到光電陰極發(fā)射出的電子被第1倍增極所搜集，其搜集系數(shù)為1，且每個(gè)倍增極都存在搜集系數(shù)i，因此，增益G應(yīng)修正為 Ni1)(G 對于非聚焦型光電倍增管對于非聚焦型光電倍增管, 1, 1近似為近似為90%90%。 i i要高要高于于1 1 ，但小于，但小于1 1； 對于聚焦型的，尤其是在陰極與第對于聚焦型的，尤其是在陰極與第1倍增極之間具有倍增極之間具有電子限束電極電子限束電極F的倍增管，其的倍增管，其1i 1。 倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)可用閱歷公式計(jì)算，對可用閱歷公式計(jì)算，對于銻化銫

16、于銻化銫Cs3SbCs3Sb倍增極資料有閱歷公式倍增極資料有閱歷公式 0.7DD)(2 . 0U 對于氧化的銀鎂合金AgMgO資料有閱歷公式 =0.025UDD 0.7NDDN(0.2) UG 對于銻化銫倍增極資料對于銻化銫倍增極資料 對銀鎂合金資料對銀鎂合金資料 NDDN(0.025) UG kakaSSIIG 光電倍增管在電源電壓確定后，電流放大倍數(shù)可以從定義出發(fā)，經(jīng)過丈量陽極電流Ia與陰極電流Ik確定。 4.3.3 暗電流 光電倍增管在無輻射作用下的陽極輸出電流稱為暗電流，記為ID。光電倍增管的暗電流值在正常運(yùn)用的情況下是很小的，普通為nA，是一切光電探測器件中暗電流最低的器件。 影響暗

17、電流的主要要素： 1. 歐姆漏電 歐姆漏電主要指光電倍增管的電極之間玻璃漏電、管座漏電和灰塵漏電等。歐姆漏電通常比較穩(wěn)定，對噪聲的奉獻(xiàn)小。在低電壓任務(wù)時(shí)，歐姆漏電成為暗電流的主要部分。 2. 熱發(fā)射 由于光電陰極資料的光電發(fā)射閾值較低，容易產(chǎn)生熱電子發(fā)射，即使在室溫下也會有一定的熱電子發(fā)射，并被電子倍增系統(tǒng)倍增。 KTthq4/5tdeAETI降低光電倍增管的溫度是減小熱發(fā)射暗電流的有效方法。 3. 剩余氣體放電 光電倍增管中高速運(yùn)動的電子會使管中的剩余氣體電離，產(chǎn)生正離子和光子，它們也將被倍增，構(gòu)成暗電流。這種效應(yīng)在任務(wù)電壓高時(shí)特別嚴(yán)重，使倍增管任務(wù)不穩(wěn)定。 4. 場致發(fā)射 光電倍增管的任務(wù)

18、電壓高時(shí)還會引起管內(nèi)電極尖端或棱角的場強(qiáng)太高產(chǎn)生的場致發(fā)射暗電流。顯然降低任務(wù)電壓場致發(fā)射暗電流也將下降。 5. 玻璃殼放電和玻璃熒光 當(dāng)光電倍增管負(fù)高壓運(yùn)用時(shí)，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場很強(qiáng)，尤其是金屬屏蔽層與處于負(fù)高壓的陰極電場最強(qiáng)。在強(qiáng)電場下玻璃殼能夠產(chǎn)生放電景象或出現(xiàn)玻璃熒光，放電和熒光都要引起暗電流，而且還將嚴(yán)重破壞信號。因此，在陰極為負(fù)高壓運(yùn)用時(shí)屏蔽殼與玻璃管壁之間的間隔至少為1020mm。 4.3.4 噪聲 光電倍增管的噪聲主要由散粒噪聲和負(fù)載電阻的熱噪聲組成。負(fù)載電阻的熱噪聲為 a2naK4RfTI 散粒噪聲主要由陰極暗電流Id，背景輻射電流Ib以及信號電流Is的散粒效應(yīng)所引

19、起的。陰極散粒噪聲電流為 )(22dkbkskk2nkIIIfqfqII散粒噪聲電流將被逐級放大，并在每一級都產(chǎn)生本身的散粒噪聲。如第1級輸出的散粒噪聲電流為 )1 (2)(112nk1k21nk2nD1IfqIII第2級輸出的散粒噪聲電流為 )1 (2)(212212nk21k22nD12nD2IfqIII第n級倍增極輸出的散粒噪聲電流為 )(111nn1nnnn3212nk2nDn II為簡化問題，設(shè)各倍增極的發(fā)射系數(shù)都等于各倍增極的電壓相等時(shí)發(fā)射系數(shù)相差很小時(shí)，那么倍增管末倍增極輸出的散粒噪聲電流為 fGqII122k2nDn通常在36之間， 接近于1，并且，越大， 越接近于1。光電倍增

20、管輸出的散粒噪聲電流簡化為 11fGqII2k2nDn2總噪聲電流為 fGqIRfKTIn2ka224在設(shè)計(jì)光電倍增管電路時(shí)，總是力圖使負(fù)載電阻的熱噪聲遠(yuǎn)小于散粒噪聲 RfKTa4fGqI2k2設(shè)光電倍增管的增益G=104，陰極暗電流Idk=10-14A，在室溫300K情況下，只需陽極負(fù)載電阻Ra滿足 k522KT42KaGqIR當(dāng)然，提高光電倍增管的增益增高電源電壓G，降低陰極暗電流Idk都會減少對陽極電阻Ra的要求，提高光電倍增管的時(shí)間呼應(yīng)。 4.3.5 伏安特性 1. 陰極伏安特性 當(dāng)入射光電倍增管陰極面上的光通量一定時(shí)，陰極電流Ik與陰極和第一倍增極之間電壓(簡稱為陰極電壓Uk)的關(guān)系曲線稱為陰極伏安特性， 圖4-6為不同光通量下測得的陰極伏安特性。從圖中可見，當(dāng)陰極電壓較小時(shí)陰極電流Ik隨Uk的增大而添加，直到Uk大于一定值(幾十伏特)后，陰極電流Ik才趨向飽和，且與入射光通量成線性關(guān)系。 2. 陽極伏安特性 當(dāng)入射到光電倍增管陰極面上的光通量一定時(shí)，陽極電流Ia與陽極和末級倍增極之間電壓(簡稱為陽極電壓Ua)的關(guān)系曲線稱為陽極伏安特性，圖4-7為3組不同強(qiáng)度的光通量的伏安特性