第4章第1節(jié)光電技術

1、第第4 4章章 光電發(fā)射器件光電發(fā)射器件 4.1 光電發(fā)射陰極光電發(fā)射陰極 真空光電發(fā)射器件具有極高的靈敏度、快速響應等特點，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相當大的應用領地。 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。 4.1.1 4.1.1 光電發(fā)射陰極的主要參數光電發(fā)射陰極的主要參數 光電發(fā)射陰極的主要特性參數為靈敏度、量子效率、光譜響應和暗電流等。 1. 靈敏度 光電發(fā)射陰極的靈敏度應包括光譜靈敏度與積分靈敏度兩種。 1) 光譜靈敏度 定義在

2、單色（單一波長）輻射作用于光電陰極時，光電陰極輸出電流Ik與單色輻射通量e,之比為光電陰極的光譜靈敏度Se,。即Se,=IK/e,，其量綱為A/W或A/W。 2) 積分靈敏度 定義在某波長范圍內的積分輻射作用于光電陰極時，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。即 ，量綱為mA/W或A/W。在可見光波長范圍內的“白光”作用于光電陰極時，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。即Sv= ，量綱為mA/lm。 0e,kedIS780380v,kdI 2.量子效率 定義在單色輻射作用于光電陰極時，光電陰極發(fā)射單位時間發(fā)射出去的光電子數Ne,與入射的光

3、子數之比為光電陰極的量子效率（或稱量子產額）。即 p,e,NN 量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法。它們之間的關系為 e,e,e,k1240qhc/q/SShI（4-1） 3. 光譜響應光譜響應 光電發(fā)射陰極的光譜響應特性用光譜響應特性曲線描述。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系曲線稱為光譜響應。 4. 暗電流 光電發(fā)射陰極中少數處于較高能級的電子在室溫下獲得了熱能產生熱電子發(fā)射，形成暗電流。光電發(fā)射陰極的暗電流與材料的光電發(fā)射閾值有關。一般光電發(fā)射陰極的暗電流極低，其強度相當于10-1610-18Acm-2的電流密度。 4.1.2 光電陰極材料光電陰極材料 1

4、. 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，再引入銫蒸汽進行敏化處理，形成Ag-O-Cs薄膜。 銀氧

5、銫光電陰極的相對光譜響應曲線從圖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100，但暗電流較大，且隨溫度變化較快。 4.2 4.2 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 4.2.1 真空光電管的原理真空光電管的原理 真空光電管主要由光電陰極和陽極兩部分組成，因管內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

6、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，陰極為負極。 1、真空型光電管的工作原理 當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 光照產生電子在電場的作用下運動，途中與惰性氣體原子碰撞而電離，電離又產生新的電子，它與光電子一起都被陽極收集，形成數倍于真空型光電管的光電流 。 4.2.2 4.2.2 光電倍增管的原理光電倍增管的原理 光電倍增管（Photo-m

7、ultiple tube簡稱為PMT）是一種真空光電發(fā)射器件，它主要由光入射窗、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、倍增極和陽極等部分組成。 如圖4-3所示為光電倍增管原理示意圖。 4.2.3 4.2.3 光電倍增管的結構光電倍增管的結構1. PMT1. PMT的入射窗結構的入射窗結構 2. 倍增極結構倍增極結構 1 1）倍增極材料）倍增極材料 銻化銫（CsSb）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生較高的發(fā)射系數，電壓高于400V時的值可高達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）。 銅-鈹合

8、金（鈹的含量為2%）材料也具有二次電子發(fā)射功能，不過它的發(fā)射系數比銀鎂合金更低些。 新發(fā)展起來的負電子親和勢材料GaPCs，具有更高的二次電子發(fā)射功能，在電壓為1000V時，倍增系數可大于50或高達200。 （2） 倍增極結構倍增極結構 光電倍增管按倍增極結構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）兩種結構；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）兩種結構。 4.3 4.3 光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性 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Ik與入射光譜輻射通量之

9、比為陰極的光譜靈敏度，并記為 e,k ,kIS(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) 2 2、陽極靈敏度、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若入射輻射為白光，則定義為陽極積分靈敏度，記為Sa 0e,aadIS (4-4) (4-5) 4.3.2 4.3.2 電流放大倍數（增益）電流放大倍數（增益） 電流放大倍數表征了光電倍增管的內增益特性，它不但與倍增極材料的二次電子發(fā)射系數有關，而且與光電倍增管的級數N有關。理想光電倍增管的增益G與電子發(fā)射系

10、數的關系為 G= （4-6） 當考慮到光電陰極發(fā)射出的電子被第1倍增極所收集，其收集系數為 ，且每個倍增極都存在收集系數 ，因此，增益G應修正為 N1i()G (4-7)n1i1（收集）=i（傳遞）=1的情況下 對于非聚焦型光電倍增管的 近似為90%，要高于 ，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)射系數可用經驗公式計算，對于銻化銫（Cs3Sb）倍增極材料有經驗公式 0.7DD)(2 . 0U（4-8） 對于氧化的銀鎂合金（AgMgOCs）材料有經驗公式 =0.025UDD (4-9)顯然

11、，上述兩種倍增材料的電流增益G與極間電壓UDD的關系式由式（4-6），（4-7）和（4-8）得到：1i10.7nDDn(0.2) UG 對于銻化銫倍增極材料 （4-10） 對銀鎂合金材料 nDDn(0.025) UG （4-11） kakaSSIIG 光電倍增管在電源電壓確定后，電流放大倍數可以從定義出發(fā)，通過測量陽極電流Ia與陰極電流Ik確定。 （4-12） 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應用的情況下是很小的，一般為10 10 A，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： 1. 歐姆漏電 歐姆漏

12、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，對噪聲的貢獻小。在低電壓工作時，歐姆漏電成為暗電流的主要部分。 -16-102. 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，產生正離子和光子，它們也將被倍增，形成暗電流。這種效應在工作電壓高時特別嚴重，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引

13、起管內電極尖端或棱角的場強太高產生的場致發(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 當光電倍增管負高壓使用時，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高壓的陰極電場最強。在強電場下玻璃殼可能產生放電現象或出現玻璃熒光，放電和熒光都要引起暗電流，而且還將嚴重破壞信號。因此，在陰極為負高壓應用時屏蔽殼與玻璃管壁之間的距離至少為1020mm。 4.3.4 噪聲噪聲 光電倍增管的噪聲主要由散粒噪聲和負載電阻的熱噪聲組成。負載電阻的熱噪聲為 a2naK4RfTI（4-14） 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的散粒效應所

14、引起的。陰極散粒噪聲電流為 )(22dkbkskk2nkIIIfqfqII（4-15） 散粒噪聲電流將被逐級放大，并在每一級都產生自身的散粒噪聲。如第1級輸出的散粒噪聲電流為 )1 (2)(112nk1k21nk2nD1IfqIII（4-16） 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，設各倍增極的發(fā)射系數都等于（各倍增極的電壓相等時發(fā)射系數相差很小）時，則倍增管末倍增極輸出的散粒噪聲電流為 fGqII122k2nDn（4-19） 1 通常在36之

15、間， 接近于1，并且，越大， 越接近于1。光電倍增管輸出的散粒噪聲電流簡化為 1fGqII2k2nDn2（4-20） 總噪聲電流為 fGqIRfKTIn2ka224（4-21） 在設計光電倍增管電路時，總是力圖使負載電阻的熱噪聲遠小于散粒噪聲 （4-21） RfKTa4fGqI2k2設光電倍增管的增益G=104，陰極暗電流Idk=10-14A，在室溫300K情況下，只要陽極負載電阻Ra滿足 k522KT42KaGqIR（4-23） 當然，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間響應。 4.3.5 伏安特性伏安特性 1. 陰極

16、伏安特性 當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系。 2. 陽極伏安特性 當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。 當陽極電壓增大到一定程度后，被增大的電子流已經能夠完全被陽極所收集，陽極電流I

17、a與入射到陰極面上的光通量成線性關系而與陽極電壓的變化無關。 e,aaSI （4-24） 4.3.6 線性線性 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)中的一個重要指標。線性不僅與光電倍增管的內部結構有關，還與供電電路及信號輸出電路等因素有關。 (1)內因，即空間電荷、光電陰極的電阻率、聚焦或收集效率等的變化；(2) 外因，光電倍增管輸出信號電流在負載電阻上的壓降對末級倍增極電壓產生負反饋和電壓的再分配都可能破壞輸出信號的線性。 4.3.7 疲勞與衰老疲勞與衰老 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，應對光電倍增管進行過電流保護，陽極電流一旦超過設定值便自動關斷供電電源。 思考題 4 4.4 何謂光電倍增管的增益特性？光電倍增管各倍增極的發(fā)射系數與那些因素有關？最主要的因素是什么？4.6 光