光電檢測技術第五章

1、 v掌握內(nèi)容掌握內(nèi)容光電檢測技術中常用的光電發(fā)射器件原理和特性。光電檢測技術中常用的光電發(fā)射器件原理和特性。v理解內(nèi)容理解內(nèi)容光電倍增管的輸入輸出電路光電倍增管的輸入輸出電路v了解內(nèi)容了解內(nèi)容光電倍增管的特性和其他光電發(fā)射器件光電倍增管的特性和其他光電發(fā)射器件 第五章第五章 光電發(fā)射器件光電發(fā)射器件 5.1 5.1 光電子發(fā)射效應光電子發(fā)射效應 5.2 5.2 光電管光電管5.3 5.3 光電倍增管光電倍增管5.4 5.4 各種光電探測器件的性能比較和應用選各種光電探測器件的性能比較和應用選擇擇 第五章第五章 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外在光線作用下，電子逸出物

2、體表面向外發(fā)射稱外光電效應。光電效應。 光照射物體時，電子吸收入射光子的能量，每個光照射物體時，電子吸收入射光子的能量，每個光子具有的能量是：光子具有的能量是： EhhJ S 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)( ) ( ) 光的頻率（光的頻率（HzHz），波長短，頻率高，能量），波長短，頻率高，能量大5.1 5.1 光電子發(fā)射效光電子發(fā)射效應應圖圖5 51 1 光電子發(fā)射過程光電子發(fā)射過程(a)(a)金屬光電子發(fā)射體金屬光電子發(fā)射體 (b)(b)具有正電子親和勢的具有正電子親和勢的半導體光電子發(fā)射體半導體光電子發(fā)射體(c) (c) 具有負電子親和勢的半導體光電子發(fā)射體具有負電子親和勢的半導體光電子發(fā)射體外

3、光電效外光電效應應 光電發(fā)射第一定律光電發(fā)射第一定律 當入射輻射的光譜分布不變時，當入射輻射的光譜分布不變時，飽和光電流飽和光電流I I與入射的輻通量成正比。與入射的輻通量成正比。 光電發(fā)射第二定律光電發(fā)射第二定律 發(fā)射的光電子的最大動能隨入射發(fā)射的光電子的最大動能隨入射光子光頻率的增加而線性地增加，而與人射光的強度光子光頻率的增加而線性地增加，而與人射光的強度無關。該定律為愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，故又稱愛因斯坦定律，無關。該定律為愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，故又稱愛因斯坦定律，表達式為表達式為 1/2mv1/2mvmaxmax2 2 = h- = h- 式中式中 m m為光電子的質量；為光電子的質量；v vmaxm

4、ax為出射光電子的最大速為出射光電子的最大速度；度；為光頻率；為光頻率；為發(fā)射體材料的逸出功。為發(fā)射體材料的逸出功。公式表明：入射光子的能量必須大于物體的逸出功，才公式表明：入射光子的能量必須大于物體的逸出功，才能使電子有足夠的動能逸出表面。能使電子有足夠的動能逸出表面。外光電效應外光電效應兩個基本定律兩個基本定律討論：討論： 產(chǎn)生一個光電子必須克服材料表面對其束縛的能產(chǎn)生一個光電子必須克服材料表面對其束縛的能量。量。 光電子的動能與照射光的強度無關，僅隨入射光光電子的動能與照射光的強度無關，僅隨入射光的頻率增加而增加。的頻率增加而增加。 在臨界情況下，當電子逸出材料表面后，能量全在臨界情況下

5、，當電子逸出材料表面后，能量全部耗盡而速度減為零，即部耗盡而速度減為零，即v=0v=0，E Ek k=0=0，則，則=/ =/ h=h=0 0。也就是說當入射光頻率為。也就是說當入射光頻率為0 0時，光電子時，光電子剛剛能逸出表面；當光頻剛剛能逸出表面；當光頻 0 0時，則無論光通量時，則無論光通量多大。也不會有光電子產(chǎn)生。多大。也不會有光電子產(chǎn)生。 0 0稱為光電子發(fā)射稱為光電子發(fā)射效應的低頻限。這就是外光電效應光電探測器的光效應的低頻限。這就是外光電效應光電探測器的光譜響應表現(xiàn)出選擇性的物理基礎。譜響應表現(xiàn)出選擇性的物理基礎。外光電效應外光電效應RUI光強 當光線照射在光敏材料上時，如果光

6、子的能量當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量E E大于電子的逸出功大于電子的逸出功A A（E EA A），會有電子逸出產(chǎn)生），會有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻電流在回路電阻R R上產(chǎn)生上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。正比于電流大小的壓降。因此因此 5.2 5.2 光電管光電管光電管光電管光電管光電管 主要特點是靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應速度快主要特點是靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應速度快和噪音小。它們都有光電陰極、陽極和真空管殼組和噪音小。它們都有光電陰極、陽極和真空管殼組成，是一種電流放

7、大器件。成，是一種電流放大器件。 尤其是光電倍增管具有很高的電流增益，特別尤其是光電倍增管具有很高的電流增益，特別適用于微弱光信號的探測；它的缺點是結構復雜，適用于微弱光信號的探測；它的缺點是結構復雜，工作電壓高體積較大；一系列型號的光電管和光工作電壓高體積較大；一系列型號的光電管和光電倍增管，覆蓋了從近紫外光到近紅外光的整個光電倍增管，覆蓋了從近紫外光到近紅外光的整個光譜區(qū)。譜區(qū)。5.3 5.3 光電倍增管光電倍增管光電倍增管光電倍增管光電倍增管內(nèi)電子的倍增主要靠選擇良好的倍光電倍增管內(nèi)電子的倍增主要靠選擇良好的倍增極的材料、對倍增極材料要求具有耐撞擊、增極的材料、對倍增極材料要求具有耐撞擊

8、、穩(wěn)定性好、使用溫度高等特點穩(wěn)定性好、使用溫度高等特點光電倍增管的結構光電倍增管的結構圖圖 幾種常見光電倍增管的結構幾種常見光電倍增管的結構 聚焦光柵光電層光云母屏蔽板陽極玻璃真空管陰極倍增極陽極陰極 倍增極陽極陽極聚焦電極倍增極導電層端窗聚焦環(huán)光陰極入射光(a)(b)(c)(d)光電倍增管光電倍增管圖圖 幾種光電倍增管的外形幾種光電倍增管的外形 光電倍增管光電倍增管光電倍增管光電倍增管 光電倍增管是利用二次光電倍增管是利用二次電子釋放效應，高速電子撞電子釋放效應，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進行放大。將光電流在管內(nèi)進行放大。光電倍增管的工作原理

9、光電倍增管的工作原理 (1)(1)光子透過入射窗口入射在光電陰極上；（光子透過入射窗口入射在光電陰極上；（2 2）光電）光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中；陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中；（3 3）光電子通過電場的加速和電子光學系統(tǒng)聚焦入）光電子通過電場的加速和電子光學系統(tǒng)聚焦入射到第一個倍增極上，由于光電子能量很大，它打射到第一個倍增極上，由于光電子能量很大，它打在倍增極上時就又激發(fā)出數(shù)目更多的二次光電子；在倍增極上時就又激發(fā)出數(shù)目更多的二次光電子；在電場的作用下，二次光電子又打在第二個倍增極在電場的作用下，二次光電子又打在第二個倍增極D2D2上又引起一次二次電子發(fā)射

10、；如此繼續(xù)下去，電上又引起一次二次電子發(fā)射；如此繼續(xù)下去，電子流迅速倍增；（子流迅速倍增；（4 4）最后經(jīng)過倍增后的二次電子被）最后經(jīng)過倍增后的二次電子被陽極收集，形成陽極光電流。收集的陽極電子流比陽極收集，形成陽極光電流。收集的陽極電子流比陰極的電子流一般大陰極的電子流一般大10102 210105 5倍。倍。工作過程工作過程光電倍增管光電倍增管（1 1） 靈敏度靈敏度 靈敏度是衡量光電倍增管的一個重要參數(shù)；靈敏度是衡量光電倍增管的一個重要參數(shù)； 光電倍增管的靈敏度一般包括光譜響應、陰光電倍增管的靈敏度一般包括光譜響應、陰極靈敏度和陽極靈敏度；極靈敏度和陽極靈敏度；陰極的光譜靈敏度取決于光電

11、陰極和窗口的材陰極的光譜靈敏度取決于光電陰極和窗口的材料性質。料性質。陽極的靈敏度等于陰極的光譜靈敏度與光電倍陽極的靈敏度等于陰極的光譜靈敏度與光電倍增管放大倍數(shù)或稱為內(nèi)增益的乘積，而其光譜增管放大倍數(shù)或稱為內(nèi)增益的乘積，而其光譜響應曲線基本上與陰極的。響應曲線基本上與陰極的。主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)KKIS光電倍增管光電倍增管光電倍增管光電倍增管（2 2）放大倍數(shù)）放大倍數(shù)( (電流增益電流增益) )定義：定義：A=IP / IK 光電倍增管的光陰極和陽極之間被加了許多倍增極光電倍增管的光陰極和陽極之間被加了許多倍增極（10個左右），在陽極和陰極之間加有幾百上千伏個左右），在陽極和陰極之間加

12、有幾百上千伏的高壓，每個倍增極間有的高壓，每個倍增極間有100200V高壓，電流增益在高壓，電流增益在105數(shù)量級。數(shù)量級。A A與倍增極的電子收集率和二次電子發(fā)射系數(shù)有關與倍增極的電子收集率和二次電子發(fā)射系數(shù)有關 上式可見，外加電壓上式可見，外加電壓U Ud d的變化引起光電倍增管增益的變化引起光電倍增管增益 的變化，因此對供給光電倍增管的工作電源電壓要的變化，因此對供給光電倍增管的工作電源電壓要 求較高，必須有極好的穩(wěn)定性。求較高，必須有極好的穩(wěn)定性。 另外，為減少光電倍增管受溫度影響，在核探測技術另外，為減少光電倍增管受溫度影響，在核探測技術中中“穩(wěn)譜穩(wěn)譜”是一個重要內(nèi)容，與光電倍增管的

13、指標、參是一個重要內(nèi)容，與光電倍增管的指標、參數(shù)密切相關。數(shù)密切相關。光電倍增管光電倍增管（2 2）放大倍數(shù)）放大倍數(shù)( (電流增益電流增益) )倍增極外加電壓倍增極外加電壓U Ud d與增益與增益A A的關系近似為：的關系近似為：A=BUA=BUd dn n 式中：式中：B B 常數(shù)常數(shù) n n 光電倍增管倍增極數(shù)光電倍增管倍增極數(shù)增益變化為：增益變化為：UdUKnAdA 光電倍增管的光譜響應度曲線光電倍增管的光譜響應度曲線就是光電陰極的光譜響應度曲線：就是光電陰極的光譜響應度曲線：它主要取決于光電陰極的材料。它主要取決于光電陰極的材料。光電倍增管光電倍增管（3 3）光譜響應度）光譜響應度

14、指在施加規(guī)定的電壓后，在無光照情況下測定的指在施加規(guī)定的電壓后，在無光照情況下測定的陽極電流。暗電流決定光電倍增管的極限靈敏度。陽極電流。暗電流決定光電倍增管的極限靈敏度。 暗電流主要由熱電子發(fā)射、極間漏電流、殘余氣暗電流主要由熱電子發(fā)射、極間漏電流、殘余氣體的離子發(fā)射、玻璃閃爍、場致發(fā)射等組成。體的離子發(fā)射、玻璃閃爍、場致發(fā)射等組成。 暗電流的產(chǎn)生與電源電壓有密切關系，在低電壓暗電流的產(chǎn)生與電源電壓有密切關系，在低電壓時，暗電流由漏電流決定；電壓較高時，主要是熱電時，暗電流由漏電流決定；電壓較高時，主要是熱電子發(fā)射；電壓再大，則導致場致發(fā)射和殘余氣體的離子發(fā)射；電壓再大，則導致場致發(fā)射和殘余

15、氣體的離子發(fā)射，使暗電流急劇增加，甚至可能發(fā)生自持放電。子發(fā)射，使暗電流急劇增加，甚至可能發(fā)生自持放電。實際使用中，為了得到比較高的信噪比，所加的電源實際使用中，為了得到比較高的信噪比，所加的電源電壓必須適當，一般工作在電壓必須適當，一般工作在7001500V7001500V。 減少暗電流的方法有：直流補償、選頻和鎖相放大、減少暗電流的方法有：直流補償、選頻和鎖相放大、制冷、電磁屏蔽、磁場散焦法。制冷、電磁屏蔽、磁場散焦法。（4 4）暗電流）暗電流光電倍增管光電倍增管光電倍增管光電倍增管（5 5） 時間響應時間響應 描述光電倍增管的時間特性有三個參數(shù)：描述光電倍增管的時間特性有三個參數(shù)： 響應

16、時間響應時間: :陽極電流脈沖幅度從最大值的陽極電流脈沖幅度從最大值的10%10%上上升升 到到90%90%所經(jīng)過的時間定義為響應時間。所經(jīng)過的時間定義為響應時間。渡越時間渡越時間: :從從函數(shù)光脈沖的頂點到陽極電流函數(shù)光脈沖的頂點到陽極電流輸出輸出 最大值所經(jīng)歷的時間定義為渡越時最大值所經(jīng)歷的時間定義為渡越時間。間。渡越時間分散渡越時間分散( (散差散差):):由于電子初速度不同，由于電子初速度不同，電子電子 透鏡場分布不一樣，電子走過的路透鏡場分布不一樣，電子走過的路不不 同，在重復光脈沖輸入時，渡越時同，在重復光脈沖輸入時，渡越時間每間每 次略有不同，有一定起伏，此稱為次略有不同，有一定

17、起伏，此稱為渡越渡越 時間分散時間分散( (散差散差) )。渡越時間分散代。渡越時間分散代表時表時 間分辨率。間分辨率。（6 6） 噪聲噪聲 光電倍增管的噪聲主要有熱噪聲、閃爍噪聲、光電倍增管的噪聲主要有熱噪聲、閃爍噪聲、散粒噪聲及低頻噪聲等。其中起主導作用的是散散粒噪聲及低頻噪聲等。其中起主導作用的是散粒噪聲。粒噪聲。（7 7）伏安特性）伏安特性 分為陰極和陽極伏安特性分為陰極和陽極伏安特性光電倍增管光電倍增管產(chǎn)生非線性的因素有：產(chǎn)生非線性的因素有：內(nèi)因：空間電荷、光電陰極的電阻率、聚內(nèi)因：空間電荷、光電陰極的電阻率、聚焦或收集效率的變化。焦或收集效率的變化。 外因：由于信號電流造成負載電阻

18、的負反外因：由于信號電流造成負載電阻的負反饋和電壓的再分配。饋和電壓的再分配。（8 8）線性）線性 表示它的光電特性，是光電測量系統(tǒng)中的表示它的光電特性，是光電測量系統(tǒng)中的一個重要指標。不僅與光電倍增管的結構有關，一個重要指標。不僅與光電倍增管的結構有關，很大程度上還取決于外部的高壓供電電路及信很大程度上還取決于外部的高壓供電電路及信號輸出電路。號輸出電路。光電倍增管光電倍增管（9 9） 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 主要是指陽極電流隨工作時間的變化。主要是指陽極電流隨工作時間的變化。 主要表現(xiàn)在兩方面：主要表現(xiàn)在兩方面： 在長期工作過程中，靈敏度的慢漂移。在長期工作過程中，靈敏度的慢漂移。 滯后效應滯后效應

19、光電倍增管光電倍增管（1 1）高壓供電）高壓供電電壓極性電壓極性( (正、負高壓之分）；線性供電方式；脈沖信正、負高壓之分）；線性供電方式；脈沖信號工作方式。號工作方式。陽極接地，負高壓供電陽極接地，負高壓供電: : 可消除外部信號輸出電路與陽極之間的電位差。可消除外部信號輸出電路與陽極之間的電位差。供電電路供電電路光電倍增管光電倍增管陽極接地帶來的問題：陽極接地帶來的問題：由于靠近管子玻殼的金屬支架或磁屏蔽筒接地，由于靠近管子玻殼的金屬支架或磁屏蔽筒接地，它們與陰極和倍增極之間存在比較高的電位差，結它們與陰極和倍增極之間存在比較高的電位差，結果使某些光電子打到玻殼上產(chǎn)生噪聲；果使某些光電子打

20、到玻殼上產(chǎn)生噪聲；如果靠近光電陰極的端面或玻殼接地，具有高負如果靠近光電陰極的端面或玻殼接地，具有高負電位的陰極與地之間就會產(chǎn)生漏電流。電位的陰極與地之間就會產(chǎn)生漏電流。陰極接地：陰極接地：使用耐高壓的耦合電容來輸出信號，也可將外使用耐高壓的耦合電容來輸出信號，也可將外部信號電路與陽極高壓電源隔開。部信號電路與陽極高壓電源隔開。只適用于交流或脈沖信號測量系統(tǒng)。只適用于交流或脈沖信號測量系統(tǒng)。光電倍增管光電倍增管（2 2 ）信號輸出）信號輸出 光電倍增管的截止頻率：光電倍增管的截止頻率： f fc c=1/2=1/2 CRCRL L 負載電阻輸出：負載電阻輸出： 光電倍增管內(nèi)阻很高，可視為恒流源

21、。在同樣光電倍增管內(nèi)阻很高，可視為恒流源。在同樣光功率輸入時光功率輸入時 R RL L時，輸出電壓增高；時，輸出電壓增高； R RL L增大，陽極和末極倍增極之間的電壓下降，增大，陽極和末極倍增極之間的電壓下降，會會出現(xiàn)空間電荷效應，降低陽極的電子收集率，引起出現(xiàn)空間電荷效應，降低陽極的電子收集率，引起非非線性。線性。 光電倍增管光電倍增管 在脈沖工作時，要考慮極間電容和雜散電容在脈沖工作時，要考慮極間電容和雜散電容( (即陽即陽極對地電容極對地電容) )影響，影響，R RL L值過大也會影響脈沖上升沿和值過大也會影響脈沖上升沿和脈寬。脈寬。 R RL L值太大時熱噪聲會增加。因此值太大時熱噪

22、聲會增加。因此R RL L值一般由實值一般由實驗確定最佳值。選擇負載電阻的建議：驗確定最佳值。選擇負載電阻的建議：l在頻響要求比較高的場合，負載電阻應盡可能小一在頻響要求比較高的場合，負載電阻應盡可能小一些。些。l當輸出信號的線性要求較高時，選擇的負載電阻應當輸出信號的線性要求較高時，選擇的負載電阻應使信號電流在它上面產(chǎn)生的壓降在幾付以下。使信號電流在它上面產(chǎn)生的壓降在幾付以下。l負載電阻應比放大器的輸入阻抗小得多。負載電阻應比放大器的輸入阻抗小得多。 光電倍增管光電倍增管 為有效提高其效率，適當加大為有效提高其效率，適當加大R RL L ，中間各級采，中間各級采用均勻分壓，用均勻分壓， R

23、RL L的提高可改善脈沖前沿，對快速光的提高可改善脈沖前沿，對快速光脈沖探測有益。（受到較大陽極電流的限制：小于脈沖探測有益。（受到較大陽極電流的限制：小于分壓器電流的分壓器電流的1%1%）運算放大器輸出：運算放大器輸出：光電倍增管光電倍增管光電倍增管的選擇光電倍增管的選擇 一般應考慮所選管型與待測光的光譜響應應一致，一般應考慮所選管型與待測光的光譜響應應一致，因此選擇適當?shù)墓怅帢O是主要的；因此選擇適當?shù)墓怅帢O是主要的； 對低能和弱光的探測應采用陰極靈敏度高與暗電對低能和弱光的探測應采用陰極靈敏度高與暗電流小、噪聲低的管子；流小、噪聲低的管子； 陰極尺寸的選擇取決于光信號照射到陰極上的面陰極尺

24、寸的選擇取決于光信號照射到陰極上的面積，光束窄可選用小陰汲直徑的管子，通常陰極大積，光束窄可選用小陰汲直徑的管子，通常陰極大小決定于光電倍增管的大小；小決定于光電倍增管的大小； 陽極靈敏度的確定是根據(jù)入射到光電陰極的光通陽極靈敏度的確定是根據(jù)入射到光電陰極的光通量和需要輸出的信號大小估算而得；量和需要輸出的信號大小估算而得； 除此之外還應考慮耐震、高溫等條件。除此之外還應考慮耐震、高溫等條件。 光電倍增管的使用光電倍增管的使用光電倍增管光電倍增管正確使用光電倍增管，應該注意：正確使用光電倍增管，應該注意： 陽極電流應不超過陽極電流應不超過1uA1uA，可以減緩疲勞和老化效應，可以減緩疲勞和老化

25、效應，減少負載電阻反饋和分壓器電壓再分配效應。減少負載電阻反饋和分壓器電壓再分配效應。 電壓分壓器中流過的電流至少應大于期望的最大陽極電壓分壓器中流過的電流至少應大于期望的最大陽極電流電流10001000被，即被，即1mA1mA，但是不必過分加大，以免發(fā)熱。，但是不必過分加大，以免發(fā)熱。 高壓電源的穩(wěn)定性必須為所需測量精度的高壓電源的穩(wěn)定性必須為所需測量精度的1010倍左右，倍左右，對電壓的紋波系數(shù)也應有所規(guī)定，一般應小于對電壓的紋波系數(shù)也應有所規(guī)定，一般應小于0.001%0.001%。 陰極和第一倍增級之間，以及末級倍增級和陽極之間陰極和第一倍增級之間，以及末級倍增級和陽極之間的級間電壓應設

26、計得與總電壓無關。的級間電壓應設計得與總電壓無關。 光電倍增管的輸出信號采用運算放大器作電流電壓變光電倍增管的輸出信號采用運算放大器作電流電壓變換，以獲得高的信噪比和好的線性。換，以獲得高的信噪比和好的線性。光電倍增管光電倍增管 光電倍增管的使用光電倍增管的使用 應采取電磁屏蔽，最好使屏蔽筒與陰極處于相同應采取電磁屏蔽，最好使屏蔽筒與陰極處于相同電位。電位。 光電倍增管應儲存在黑暗中，使用前最好先接通光電倍增管應儲存在黑暗中，使用前最好先接通高壓電源，在黑暗中存放幾小時。高壓電源，在黑暗中存放幾小時。 測量很弱的輻射時，光電倍增管的冷卻溫度一般測量很弱的輻射時，光電倍增管的冷卻溫度一般取取-2

27、-2攝氏度。攝氏度。 最好在光電陰極前放置優(yōu)質的漫射器，可減少因最好在光電陰極前放置優(yōu)質的漫射器，可減少因光陰極區(qū)域靈敏度不同而引起的誤差。光陰極區(qū)域靈敏度不同而引起的誤差。 為得到最穩(wěn)定的相對光譜靈敏度，光電倍增管應為得到最穩(wěn)定的相對光譜靈敏度，光電倍增管應讓其自然老化數(shù)年。讓其自然老化數(shù)年。 制造廠、參考書所提供的數(shù)據(jù)均是典型值，光電制造廠、參考書所提供的數(shù)據(jù)均是典型值，光電倍增管參數(shù)的離散性很大，要獲得確切的數(shù)據(jù)，倍增管參數(shù)的離散性很大，要獲得確切的數(shù)據(jù)，只能逐個測定。只能逐個測定。光電倍增管光電倍增管 光電倍增管的使用光電倍增管的使用（1 1）光譜測量）光譜測量（2 2）極微弱光信號的探測）極微弱光信號的探測光子計數(shù)光子計數(shù)（3 3）射線的探測）射線的探測光電倍增管光電倍增管光電倍增管的應用光電倍增管的應用 光電倍增管光電倍增管光電倍增管的應用光電倍增管的應用（1）核儀器測量中的譜線漂移）核儀器測量中的譜線漂移（2）極微弱光信號的探測）極微弱光信號的探測光子