第四章光電發(fā)射器件

1、光電發(fā)射陰極光電發(fā)射陰極光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性真空光電管與光電倍增管的工作原理真空光電管與光電倍增管的工作原理第第4 4章章 光電發(fā)射器件光電發(fā)射器件 光電倍增管的供電電路光電倍增管的供電電路光電倍增管的典型應(yīng)用光電倍增管的典型應(yīng)用利用外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射相結(jié)合，即把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子獲得倍增的一種光電探測器件。其光電轉(zhuǎn)換分為光電發(fā)射和電子倍增兩個過程北京濱松光子技術(shù)有限公司生產(chǎn)R212UH型側(cè)窗式光電倍增管光電倍增管（PMT）Photomultiplier Tube HAMAMATSU（濱松）是總部設(shè)在日本的一家主要生產(chǎn)光電器件的跨國公司。它在亞洲、歐

2、洲和北美設(shè)有七家分支機構(gòu)。日本濱松下設(shè)四個生產(chǎn)部門：電子管事業(yè)部，主要生產(chǎn)以光電倍增管為主的各種真空探測器,真空光源等相關(guān)儀器設(shè)備。半導(dǎo)體事業(yè)部，主要生產(chǎn)以光電二極管為主的各種半導(dǎo)體光電器件。系統(tǒng)事業(yè)部，主要生產(chǎn)以濱松公司自產(chǎn)器件為中心的各種分析和測量儀器,應(yīng)用在半導(dǎo)體芯片,生物工程和醫(yī)療等各種領(lǐng)域。激光器事業(yè)部，主要生產(chǎn)科研和產(chǎn)業(yè)用的大功率半導(dǎo)體激光器。北京濱松光子技術(shù)有限公司是1988年由中國核工業(yè)總公司北京核儀器廠與日本濱松光子學(xué)株式會社共同投資成立的（PMT產(chǎn)量占全球三分之一）。 真空光電發(fā)射器件具有極高的靈敏度、快速響應(yīng)等特點，它在微弱輻射的探測和快速弱輻射脈沖信息的捕捉等方面仍具有

3、相當(dāng)大的應(yīng)用領(lǐng)地。 光電發(fā)射陰極是光電發(fā)射器件的重要部件，它是吸收光子能量發(fā)射光電子的部件。它的性能直接影響著整個光電發(fā)射器件的性能，為此，首先討論用于制造光電陰極的典型光電發(fā)射材料。 光電發(fā)射陰極光電發(fā)射陰極一、光電陰極材料 1. 單堿與多堿銻化物光陰極 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，一般高達(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形成多堿銻化物光陰極。其量子效率峰值可高達(dá)30% 。 2. 銀氧銫與鉍銀氧銫光陰極 銀氧銫(Ag-O-Cs)陰極是最早使用的高效光陰極。它的特

4、點是對近紅外輻射靈敏。制作過程是先在真空玻璃殼壁上涂上一層銀膜再通入氧氣，通過輝光放電使銀表面氧化，對于半透明銀膜由于基層電阻太高，不能用放電方法而用射頻加熱法形成氧化銀膜，再引入銫蒸汽進(jìn)行敏化處理，形成Ag-O-Cs薄膜。 銀氧銫光電陰極的相對光譜響應(yīng)曲線畫從圖4-1中可以看出，它有兩個峰值，一個在350 nm處，一個在800 nm處。光譜范圍在300 nm到1200 nm之間。量子效率不高，峰值處約0.5%1%左右。 銀氧銫使用溫度可達(dá)100，但暗電流較大，且隨溫度變化較快。 一、真空光電管的原理一、真空光電管的原理 真空光電管與光電倍增管的工作原理真空光電管與光電倍增管的工作原理 真空光

5、電管主要由光電陰極和陽極兩部分組成，因管內(nèi)常被抽成真空而稱為真空光電管。 然而，有時為了使某種性能提高，在管殼內(nèi)也充入某些低氣壓惰性氣體形成充氣型的光電管。無論真空型還是充氣型均屬于光電發(fā)射型器件，稱為真空光電管或簡稱為光電管。 其工作原理電路如圖4-2所示，在陰極和陽極之間加有一定的電壓，且陽極為正極，陰極為負(fù)極。1、真空型光電管的工作原理 當(dāng)入射光透過真空型光電管的入射窗照射到光電陰極面上時，光電子就從陰極發(fā)射出去，在陰極和陽極之間形成的電場作用下，光電子在極間作加速運動，被高電位的陽極收集，其光電流的大小主要由陰極靈敏度和入射輻射的強度決定。 2、充氣型光電管的工作原理 光照產(chǎn)生電子在電

6、場的作用下運動，途中與惰性氣體原子碰撞而電離，電離又產(chǎn)生新的電子，它與光電子一起都被陽極收集，形成數(shù)倍于真空型光電管的光電流 。二、光電倍增管的原理二、光電倍增管的原理 光電倍增管是一種真空光電發(fā)射器件，它主要由光入射窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽極五部分組成。 如圖4-3所示為光電倍增管原理示意圖。 三、光電倍增管的結(jié)構(gòu)三、光電倍增管的結(jié)構(gòu)PMT的入射窗結(jié)構(gòu) 2. 倍增極結(jié)構(gòu) 1）倍增極材料 銻化銫（Cs3Sb）材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時的值可高達(dá)10倍。 氧化的銀鎂合金材料也具有二次電子發(fā)射功能，它與銻化銫相比二次電子

7、發(fā)射能力稍差些，但它可以工作在較強電流和較高的溫度（150）。 側(cè)窗式側(cè)窗式端窗式端窗式 銅-鈹合金（鈹?shù)暮繛?%）材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。 新發(fā)展起來的負(fù)電子親和勢材料GaPCs，具有更高的二次電子發(fā)射功能，在電壓為1000V時，倍增系數(shù)可大于50或高達(dá)200。 2） 倍增極結(jié)構(gòu) 光電倍增管按倍增極結(jié)構(gòu)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4-4（a）與盒柵式（圖4-4（b）兩種結(jié)構(gòu)；聚焦型有瓦片靜電聚焦型（圖4-4（c）和圓形鼠籠式（圖4-4（d）兩種結(jié)構(gòu)。 一、靈敏度 1、陰極靈敏度 定義光電倍增管陰極電流Ik與入射光譜輻射通

8、量之比為陰極的光譜靈敏度，并記為 e,k ,kIS(4-2)(4-2) 若入射輻射為白光，則以陰極積分靈敏度，IK與光譜輻射通量的積分之比，記為Sk 0e,kkdIS(4-3)(4-3) 光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性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 若入射輻射為白光，則定義為陽極積分靈敏度，記為Sa (4-4) (4-4) (4-5) (4-5) 0e,aadIS e,a ,aIS二二 、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，它不但與倍增極材料的二次電子發(fā)射系數(shù)有關(guān)，而且與

9、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 G= N（4-6） Ni1)(G(4-7)1 當(dāng)考慮到光電陰極發(fā)射出的電子被第1倍增極所收集，其收集系數(shù)為 ，且每個倍增極都存在收集系數(shù) ，因此，增益G應(yīng)修正為 i 對于非聚焦型光電倍增管的，1近似為90%， i要高于1 ，但小于1；對于聚焦型的，尤其是在陰極與第1倍增極之間具有電子限束電極F的倍增管，其 1，可以用式（4-6）計算增益G。 i1倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)可用經(jīng)驗公式計算，對于銻化銫（Cs3Sb）倍增極材料有經(jīng)驗公式 0.7DD)(2 . 0U（4-8） 對于氧化的銀鎂合金（AgMgOCs）材料有經(jīng)驗公式 =0

10、.025UDD (4-9)顯然，上述兩種倍增材料的電流增益G與極間電壓UDD的關(guān)系式由式（4-6），（4-7）和（4-8）得到：對于銻化銫倍增極材料 （4-10） 對銀鎂合金材料 （4-11） 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)，通過測量陽極電流Ia與陰極電流Ik確定。 （4-12） kakaSSIIGNDDN(0.025) UG 0.7NDDN(0.2) UG 三、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應(yīng)用的情況下是很小的，一般為10-1610-10A，是所有光電探測器件中暗電流最低的器件。 影響暗電流的主要因素：

11、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，對噪聲的貢獻(xiàn)小。在低電壓工作時，歐姆漏電成為暗電流的主要部分。 2、熱發(fā)射 由于光電陰極材料的光電發(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（4-13） 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、殘余氣體放電 光電倍增管中高速運動的電子會使管中的殘余氣體電離，產(chǎn)生正離子和光子，它們也將被倍增，形成暗電流。這種效應(yīng)在工作電壓高時特別嚴(yán)重，使倍增管工作不穩(wěn)定。 4、場致發(fā)射 光電倍增管的工作電壓高時還會

12、引起管內(nèi)電極尖端或棱角的場強太高產(chǎn)生的場致發(fā)射暗電流。顯然降低工作電壓場致發(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)高壓使用時，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場很強，尤其是金屬屏蔽層與處于負(fù)高壓的陰極電場最強。在強電場下玻璃殼可能產(chǎn)生放電現(xiàn)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)高壓應(yīng)用時屏蔽殼與玻璃管壁之間的距離至少為1020mm。 四、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，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

13、。從圖中可見，當(dāng)陰極電壓較小時陰極電流Ik隨Uk的增大而增加，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。 k110陰陰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，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組不同強度的光通量的伏安特性。 當(dāng)陽極電壓增大到一定程度后，被增大的電子流已經(jīng)能夠完全被陽極所收集，陽極電流Ia與入射到陰極面上的光通量成線性關(guān)系而與陽極電壓的變化無關(guān)。 e,aaSI （4-24） 五、 線性 光電倍增管的線性一般由它的陽極伏安特性表示，它是光電測量系統(tǒng)中的一個

14、重要指標(biāo)。線性不僅與光電倍增管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與供電電路及信號輸出電路等因素有關(guān)。 內(nèi)因，即空間電荷、光電陰極的電阻率、聚焦或收集效率等的變化，外因，光電倍增管輸出信號電流在負(fù)載電阻上的壓降對末級倍增極電壓產(chǎn)生負(fù)反饋和電壓的再分配都可能破壞輸出信號的線性。 空間電荷主要發(fā)生在光電倍增管的陽極和最后幾級倍增極之間。當(dāng)陽極光電流大。尤其陽極電壓太低或最后幾級倍增極的極間電壓不足時。容易出現(xiàn)空間電荷。有時，當(dāng)陰極和第一倍增極之間的距離過大或電場太弱。在端窗式的光電倍增管的第一級中也容易出現(xiàn)空間電荷。為防止空間電荷引起的非線性。應(yīng)使這些極間的電壓保持較高。而讓管內(nèi)的電流密度盡可能小一些。 陰極電阻也

15、會引起非線性。特別是當(dāng)大面積的端窗式光電倍增管的陰極只有一小部分被光照射時。非照射部分會像串聯(lián)電阻那樣起作用。在陰極表面引起電位差。于是降低了被照射區(qū)域和第一倍增極之間的電壓。這一負(fù)反饋引起的非線性是被照射面積的大小和位置的函數(shù)。 負(fù)載電阻和陰極電阻具有十分相似的效應(yīng)。當(dāng)光電流通過該電阻時。產(chǎn)生的壓降使得陽極電壓降低。易引起陽極的空間電荷效應(yīng)。為防止負(fù)載電阻引起的非線性。可采用運算放大器作為電流電壓轉(zhuǎn)換器。使等效的負(fù)載電阻降低。 陽極或倍增極輸出電流引起電阻鏈中電壓的再分配。從而導(dǎo)致光電倍增管線性的變化。一般當(dāng)光電流較大時,再分配電壓使極間電壓(尤其是接近陽極的各級)增加。陽極電壓降低。結(jié)果使

16、得光電倍增管的增益降低；當(dāng)陽極光電流進(jìn)一步增大時。使得陽極和最末級電壓接近于零。結(jié)果盡管入射光繼續(xù)增加。而陽極輸出電流趨向飽和。因此,為降低該效應(yīng),常使阻鏈中的電流至少大于陽極光電流最大值的10倍。六、疲勞與衰老 光電陰極材料和倍增極材料中一般都含有銫金屬。當(dāng)電子束較強時，電子束的碰撞會使倍增極和陰極板溫度升高，銫金屬蒸發(fā)，影響陰極和倍增極的電子發(fā)射能力，使靈敏度下降。甚至使光電倍增管的靈敏度完全喪失。因此，必須限制入射的光通量使光電倍增管的輸出電流不得超過極限值IaM。為防止意外情況發(fā)生，應(yīng)對光電倍增管進(jìn)行過電流保護(hù)，陽極電流一旦超過設(shè)定值便自動關(guān)斷供電電源。 在入射光強度過大或照射時間過長

17、時，光電倍增管會出現(xiàn)光電流衰減、靈敏度驟降的疲勞現(xiàn)象，這是由于過大的光電流使電極升溫而使光電發(fā)射材料蒸發(fā)過多所引起。在停歇一段時間后還可全部或部分得到恢復(fù)。光電倍增管由于疲勞效應(yīng)而靈敏度逐步下降，稱為老化，最后不能工作而損壞。過強的入射光會加速光電倍增管的老化損壞，因此，不能在工作狀態(tài)下（光電倍增管加上高壓時）打開光電直讀光譜儀的外罩，在日光照射下，光電倍增管很快便損壞。七、光電倍增管優(yōu)缺點放大倍數(shù)很高，用于探測微弱信號；光電特性的線性關(guān)系好 ；工作頻率高 ；性能穩(wěn)定，使用方便 ；供電電壓高；玻璃外殼，抗震性差；價格昂貴，體積大；一、電阻鏈分壓型供電電路 光電倍增管的供電電路設(shè)計也是其關(guān)鍵部分

18、，供電電路有很多，常用的是電阻分壓式設(shè)計。 光電倍增管的供電電路光電倍增管的供電電路 如圖4-8所示為典型光電倍增管的電阻分壓式供電電路。電路由11個電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器，分別向10級倍增極提供電壓UDD。 1、電阻鏈的設(shè)計 考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應(yīng)，各級的電流按放大倍率分布，其中，陽極電流Ia最大。因此，電阻鏈分壓器中流過每級電阻的電流并不相等，但是，當(dāng)流過分壓電阻的電流IR遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ia時，即 IR Ia時，流過各分壓電阻Ri的電流近似相等。工程上常設(shè)計IR大于等于10倍的Ia電流。 IR10Ia （4-25） 選擇的太大將使分壓電阻功率損耗加大，倍增管溫度升高導(dǎo)致性能的降低，

19、以至于溫升太高而無法工作。 選定電流后，可以計算出電阻鏈分壓器的總阻值R R=Ubb/IR （4-26） 各分壓電阻Ri 為Rbbi1.5)(NIUR(4-28) 而R1應(yīng)為R1=1.5 Ri2、電源電壓 極間供電電壓UDD直接影響著二次電子發(fā)射系數(shù)，或管子的增益G。因此，根據(jù)增益G的要求可以設(shè)計出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。 0.7NDDN(0.2) UG NDDN(0.025) UG 由可以計算出UDD與Ubb。3、末極的并聯(lián)電容 當(dāng)入射輻射信號為高速的迅變信號或脈沖時，末3級倍增極電流變化會引起較大UDD的變化，引起光電倍增管增益的起伏，將破壞信息的變換。在末3極并聯(lián)3個電容C1

20、、C2與C3，通過電容的充放電過程使末3級電壓穩(wěn)定。 電容C1、C2與C3的計算公式為 式中N為倍增極數(shù)，Iam為陽極峰值電流，為脈沖的持續(xù)時間，UDD為極間電壓，L為增益穩(wěn)定度的百分?jǐn)?shù)。 213CC 12CC DDam1LN70UIC4、電源電壓的穩(wěn)定度 對式（4-8）與式（4-9）進(jìn)行微分，并用增量形式表示，可得到光電倍增管的電流增益穩(wěn)定度與極間電壓穩(wěn)定度的關(guān)系 DDDD7 . 0UUNGGbbbb7 . 0UUNGG對銻化銫倍增極 對銀鎂合金倍增極 bbbbUUNGG 由于光電倍增管的輸出信號Uo=GSkvRL，因此，輸出信號的穩(wěn)定度與增益的穩(wěn)定度有關(guān) bbbbUUNGGUU 在實際應(yīng)用

21、中常常對電源電壓穩(wěn)定度的要求簡單地認(rèn)為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個數(shù)量級。例如，當(dāng)要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時，則要求電源電壓穩(wěn)定度應(yīng)高于0.1%。 例例4-14-1 設(shè)入射到PMT上的最大光通量為v=1210-6lm左右，當(dāng)采用GDB-235型倍增管為光電探測器，已知它的倍增級數(shù)為8級，陰極為SbCs材料，倍增極也為SbCs材料，SK=40A/lm，若要求入射光通量在610-6lm時的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設(shè)計該PMT的變換電路。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%，試問該PMT變換電路輸出信號的穩(wěn)定度最高能達(dá)到多少？解解 (1) 首先計算供電電源的電壓根據(jù)題目對輸出電壓幅度的要求和PMT的

22、噪聲特性，可以選擇陽極電阻Ra=82k，陽極電流應(yīng)不小于Iamin，因此 Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A入射光通量為0.610-6lm時的陰極電流為 IK=SKv=4010-60.610-6=2410-6A此時，PMT的增益G應(yīng)為 5min62.4391.02 1024 10aKIGI由于N=8，因此，每一級的增益=4.227，另外，SbCs倍增極材料的增益與極間電壓UDD有， ，可以計算出=4.227時的極間電壓UDD 0.7DD)(2 . 0UV782 . 07 . 0DDU總電源電壓Ubb為 Ubb=（N+1.5）UDD=741V (2) 計算偏置電路電阻鏈的

23、阻值偏置電路采用如圖4-8所示的供電電路，設(shè)流過電阻鏈的電流為IRi，流過陽極電阻Ra的最大電流為 Iam=GSKvm =1.021054010-61210-6=48.96A取IRi10 Iam，則 IRi=500A因此，電阻鏈的阻值Ri= UDD/ IRi=156k 取Ri=120 k，R1=1.5Ri=180 k。(3)計算偏置根據(jù)式（4-35）輸出信號電壓的穩(wěn)定度最高為 %08. 0%01. 08bbbbUUnUU例例4-24-2 如果GDB-235的陽極最大輸出電流為2mA，試問陰極面上的入射光通量不能超過多少lm？解解 由于Iam=G SKVm 故陰極面上的入射光通量不能超過 )Lm

24、(1049. 01040101.02102 /3653KamVmSGI一、光譜探測領(lǐng) 域的應(yīng)用 1、發(fā)射光譜 發(fā)射光譜分析儀的基本原理如圖4-10所示 光電倍增管光電倍增管是靈敏度極高，響應(yīng)速度極快的光探測器。可廣泛應(yīng)用于光子計數(shù)、極微弱光探測、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計、旋光儀、色度計、照度計、塵埃計、濁度計、光密度計、熱釋光量儀、輻射量熱計、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設(shè)備中。光電倍增管的典型應(yīng)用光電倍增管的典型應(yīng)用海洋光學(xué)光纖光譜儀USB40005、光柵和波長范圍（請指定光柵和起始波長）、光柵和波長范圍（請指定光柵和起始波長）6、聚焦鏡（可選擇標(biāo)準(zhǔn)或者、聚焦鏡（可

25、選擇標(biāo)準(zhǔn)或者SAG準(zhǔn)直鏡）準(zhǔn)直鏡）7、L4探測器聚光透鏡（可選）探測器聚光透鏡（可選）8、探測器、探測器采用采用Toshiba TCD1304AP 3648象元線陣象元線陣CCD2、吸收光譜 吸收光譜儀是光譜分析中的另一種重要的儀器。吸收光譜儀的原理圖如圖4-11所示，它與發(fā)射光譜儀的主要差別是光源。 發(fā)射光譜儀的光源為被測光源，而吸收光譜儀的光源為已知光譜分布的光源。吸收光譜儀與發(fā)射光譜儀相比，它比發(fā)射光譜儀多一個承載被測物的樣品池。 二、時間分辨熒光免疫分析中的應(yīng)用 1983年，由Pettersson 和Eskola等提出了用時間分辨熒光免疫分析（time-resolved fluoroimmunoassay，TRFIA）法測定人絨毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在臨床醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用，在10多年中，獲得迅速發(fā)展。成為最有發(fā)展前途的一種全新的非同位素免疫分析技術(shù)。 1、時間分辨熒光免疫分析法TRFIA的原理 時間分辨熒光免疫分析法是用鑭系元素為標(biāo)記物，標(biāo)記抗原或抗體，用時間分辨技術(shù)測量熒光，同時利用波長和時間兩種分辨，極其有效地排除了非特異熒光的干擾，大大地提高了分析靈敏度。 圖4-12所示為鑭系元素螯合物與典型配位體-NTA的吸收光譜與發(fā)光光譜圖。圖中曲線1為鑭系元素螯合物與配位體-NTA的吸收光譜。由曲線1可以看出螯合物與配位體-NTA對320