第五章光電子發(fā)射探測器演示文稿

第五章光電子發(fā)射探測器演示文稿當(dāng)前第1頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)優(yōu)選第五章光電子發(fā)射探測器當(dāng)前第2頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器情況1：T=0K時(shí)，能量最大電子處于費(fèi)米能級上

(3-1)電子逸出表面的運(yùn)動能:①當(dāng)各種散射損耗=0時(shí)，最大，②金屬逸出功：代入公式3-1得:此為：T=0K時(shí)，愛因斯坦方程。當(dāng)前第3頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器情況2：T>0K時(shí):由圖3-1可知，存在高于費(fèi)米能級的電子因此電子存在，∴存在的一個(gè)拖尾。愛因斯坦方程不再成立??！思考：為什么T＞0Ｋ時(shí)愛因斯坦方程不成立？特例：常溫時(shí)，的電子很少，拖尾現(xiàn)象很小，近似認(rèn)為愛因斯坦定律在室溫下是成立的。二、半導(dǎo)體的光電子發(fā)射為什么金屬發(fā)射電子少而半導(dǎo)體易于發(fā)射？當(dāng)前第4頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器①表面逸出功高。金屬：②表面反射強(qiáng)，對光輻射的吸收率低。③內(nèi)部存在大量電子，相互碰撞損失能量。 ①對入射光反射系數(shù)小，吸收系數(shù)大，在長波限就有電子發(fā)射。ａ：趨向表面運(yùn)動的過程中 ②陰極層導(dǎo)電性適中：損失能量比金屬?。话雽?dǎo)體ｂ：傳導(dǎo)電子的補(bǔ)充不發(fā)生困難。③半導(dǎo)體中存在著大量的發(fā)射中心（價(jià)帶中有大的電子密度）。④小的光電逸出功，較高的量子效率。當(dāng)前第5頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器半導(dǎo)體中光電子發(fā)射過程：（三步）⑴對光電子的吸收：：逸出：在半導(dǎo)體中，對光電導(dǎo)有貢獻(xiàn)。本征發(fā)射：本征吸收系數(shù)高，量子效率高20～30%。光電子：雜質(zhì)發(fā)射：濃度<1%，量子效率低，約為1%，吸收系數(shù)低。自由載流子發(fā)射：微不足道。當(dāng)前第6頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器⑵光電子向表面的運(yùn)動電子散射可以忽略。晶格散射和光電子與價(jià)帶中電子碰撞。半導(dǎo)體的本征吸收系數(shù)大：↑↑，光電子效率越高，

6～30mm深度。避免二次電子－空穴對：產(chǎn)生條件：能量是半導(dǎo)體帶隙能量的2～3倍。∴選Eg高的半導(dǎo)體，可避免二次發(fā)射。⑶克服表面勢能的逸出能量大于表面勢壘否？本征半導(dǎo)體：逸出功：當(dāng)前第7頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器雜質(zhì)半導(dǎo)體：兩部分能量：電子從發(fā)射中心激發(fā)到導(dǎo)帶所需的最低能量。從導(dǎo)帶底逸出所需的最低能量（電子親和勢）。當(dāng)前第8頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器§3.2光電子發(fā)射材料純金屬材料有三大類表面吸附一層其他元素的金屬和半導(dǎo)體材料。光電陰極:（光電管，光電倍增管，變像管，像增強(qiáng)管和一些攝像管等）。一、光電陰極的主要參數(shù)1.靈敏度⑴光照靈敏度：（白光靈敏度，積分靈敏度）光電陰極在一定的白光（色溫為2856K的鎢絲燈）照射下，陰極光電流與入射的光通量之比。單位為μA/lm。當(dāng)前第9頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器⑵色光靈敏度：局部光譜區(qū)域的積分靈敏度在某些特定的波長下，通常用特性已知的濾光片插入光路，然后測得的光電流與未插入濾光片時(shí)陰極所受光照的光通量之比。和光照靈敏度的比值。藍(lán)光靈敏度：QB24藍(lán)白比紅光靈敏度：HB11紅白比紅外靈敏度：HWB3紅外白比圖3-5為濾光片的光譜透射比當(dāng)前第10頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器⑶光譜靈敏度：表示一定波長的單色輻射照到光電陰極上，陰極光電流與入射的單色輻射通量之比。單位：mA/W,A/W。２．量子效率：量子產(chǎn)額：⑴一定波長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)與入射的光子數(shù)之比值。⑵和光譜靈敏度間的關(guān)系當(dāng)前第11頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器３．光譜響應(yīng)曲線：光電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。注意：真空光電器件中的光波靈敏度極限主要由光電陰極材料的長波限決定。實(shí)際上由陰極材料本身的能級和電子親和勢決定。４．熱電子發(fā)射：⑴定義：光電陰極中有少數(shù)電子的熱能大于光電陰極逸出功，因此產(chǎn)生熱電子發(fā)射。室溫下的典型值：10-16～10-17Acm-2電流密度。⑵作用：引起熱噪聲，限制探測器的靈敏度極限。當(dāng)前第12頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器二、常用光電發(fā)射材料１．良好光電發(fā)射材料應(yīng)具備的條件：⑴光吸收系數(shù)大；⑵光電子在體內(nèi)傳輸過程中的能量損失?。虎潜砻鎰輭镜?，使表面逸出幾率大。２．常見材料的發(fā)射特性：金屬：反射大→吸收小→碰撞能量損失大→逸出功大∵紫外光能量大，∴只能做紫外探測器半導(dǎo)體：反射小→吸收大→碰撞小能量損失少→逸出功小∴可用到近紅外區(qū)當(dāng)前第13頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器(一)銀化銫陰極１．結(jié)構(gòu)：見圖a。２．光譜特性：見圖b長波限：1.2μm兩個(gè)峰值350nm;800nm。是最早出現(xiàn)的近紅外靈敏器，具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。３．缺點(diǎn)：

a.靈敏度低：光照靈敏度：30μA/lm輻射靈敏度3mA/lm；量子效率在峰值波長處：1%當(dāng)前第14頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器b.熱噪聲大：熱電子發(fā)射密度：10-11～10-14A/cm2（室溫）其值超過任何其它光電陰極。c.長期受光照會產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞現(xiàn)象，疲勞后光譜響應(yīng)會發(fā)生變化。(二)單堿銻化物光電陰極１．組成：堿金屬與銻，鉛，鉍，鉈等生成的金屬化合物具有極其寶貴的光電發(fā)射性能。

CiSb、NaSb、KSb、RbSb、CsSb等。２．常用的銻銫CsSb陰極性能：⑴量子效率高：藍(lán)光區(qū)、峰值處：30%

（比Ag-O-Cs高30倍）當(dāng)前第15頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器可見光區(qū)（積分響應(yīng)度）：70～150μA/lm⑵長波限：0.7μm左右，對紅外和紅光不靈敏見圖3-7。⑶熱噪聲：熱電子發(fā)射密度10-16A/cm2優(yōu)于Ag-O-Cs⑷疲勞特性：⑸制作工藝簡單，廣泛用于紫外和可見光。當(dāng)前第16頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器(三)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)，具有較高的響應(yīng)度，其中有雙堿、三堿、四堿，統(tǒng)稱為多堿光電陰極。銻鉀鈉銻鉀鈉銫峰值波長：0.4紫外→近紅外

850→930nm長波限量子效率：25%較高光照靈敏度：50μA/lm150μA/lm→400μA/lm熱發(fā)射電流密度：10-17～10-18A/cm2

10-14～10-16A/cm2光電疲勞效應(yīng)：小微小特點(diǎn)：耐高溫(175OC)工作穩(wěn)定性好當(dāng)前第17頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器(四)紫外光電陰極1.紫外光輻射能量高→量子效率高。2.日盲型光電陰極：要有合適的窗口材料。3.碲化銫CsTe0.32μm碘化銫CsI0.2μm100～280nm長波限三、負(fù)電子親和勢材料１．定義：負(fù)電子親和勢(NEA):半導(dǎo)體表面做特別處理，使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級降到導(dǎo)帶之下，使有效的電子親和勢為負(fù)值。正電子親和勢(PEA):表面的真空能級位于導(dǎo)帶之上。

當(dāng)前第18頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器特點(diǎn)①前所未有的高靈敏度；②長波極限到紅外。２．工作原理以Si-Cs2O光電陰極材料為例:基底Ｐ型Si材料→表面涂Cs→

Cs2O→表面形成耗盡層→耗盡層電位下降Ed→能級彎曲.對于Ｐ型Ｓi半導(dǎo)體，發(fā)射閾值:

形成P-N結(jié)合能級彎曲后，P型Si的光電子需克服的有效親和勢為：(基準(zhǔn))親和勢為負(fù)值，說明只要光電子突破禁帶，就能發(fā)射光電子.詳見圖3-8:當(dāng)前第19頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器3.特點(diǎn)⑴量子效率高：負(fù)電子親和勢光電陰極的逸出深度:數(shù)微米.普遍多堿陰極的逸出深度:幾十納米.⑵光譜響應(yīng)延伸到紅外，光譜響應(yīng)率均勻什么叫長波限？光子的最小能量必須大于光電發(fā)射閾值或功函數(shù)，否則電子就不會逸出物質(zhì)表面，這個(gè)最小能量對應(yīng)的波長稱為閾值波長(長波限).

(禁帶能級）（禁帶+親和勢）當(dāng)前第20頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器對于正電子親和勢光電陰極：閾值波長：對于負(fù)電子親和勢光電陰極：閾值波長：GaAs光電陰極：為1.4eV

：約為890nm。⑶熱電子發(fā)射?。贺?fù)電子親和勢材料本身的禁帶寬度一般比較寬，如果沒有強(qiáng)電場作用，熱電子發(fā)射小。10-16A/cm2當(dāng)前第21頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器⑷光電子能量集中光→光電陰極→光電子入導(dǎo)帶→熱化到導(dǎo)帶底→發(fā)射由于發(fā)射的光電子的能量基本上是導(dǎo)帶底的能量∴能量集中。對提高光電成像器件的空間分辨率和時(shí)間分辨率很有意義。當(dāng)前第22頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器§3-3光電倍增管定義：是一種建立在光電子發(fā)射效應(yīng)，二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的，把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子并獲得倍增的重要的真空光電發(fā)射器件。一、光電倍增管的工作原理如圖3-10所示1.K：光電陰極

D：聚焦極光電聚焦系統(tǒng)：電子會聚成束，并通過膜孔打到第一倍增極D1上。當(dāng)前第23頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器2.D1～D10:倍增極（打拿極）所加電壓逐級增加（每極約為80～150V）形成二次電子發(fā)射。3.a:收集電子的陰極。二、光電倍增管結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)的要求：1.使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會聚到D1

→提高信噪比。2.使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中有盡可能相等的渡越時(shí)間→增加快速響應(yīng)性。電子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：見圖3-11：(a),(b),(c)。當(dāng)前第24頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器當(dāng)前第25頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器光電倍增極：非聚焦型：百葉窗式、盒一網(wǎng)式。聚焦型：直列聚焦式、圓形鼠籠聚焦式。三、光電倍增管的基本特性參數(shù)1.靈敏度和光譜響應(yīng)度陰極靈敏度：陽極靈敏度：討論：⑴值由光電陰極材料決定。⑵光電倍增管光譜響應(yīng)度與光電陰極光譜響應(yīng)度曲線相同。當(dāng)前第26頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器光電陰極的光譜響應(yīng)度：量子效率：⑶光電陰極的電流光譜響應(yīng)度：

:光電倍增管的放大倍數(shù)4.積分光譜響應(yīng)度:陽極積分電流響應(yīng)度為：當(dāng)前第27頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器2.放電倍數(shù)（電流增益）定義：在一定的電壓下，光電倍增管的陽極電流和陰極電流之比，也即一定電壓下陽極響應(yīng)度和陰極響應(yīng)度的比值。當(dāng)電極間電壓為80～150V，倍增極的倍增系數(shù)時(shí)，G近似為：其中：f：第一倍增極對陰極發(fā)射電子的收集率。g:倍增極間的傳遞效率：聚焦結(jié)構(gòu)g＝1，非聚焦結(jié)構(gòu)g<1。n：倍增極的個(gè)數(shù)。若陰極和倍增極發(fā)射的電子全部被收集則當(dāng)n=9～14時(shí)，Ｇ為：105～108當(dāng)前第28頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器3.暗電流無光照射時(shí)，光電倍增管的輸出電流為暗電流。對測量緩慢變化的信號不利，一般為：10-8～10-9A相當(dāng)于入射光通量10-10～10-13lm⑴影響因素：①光電陰極和第一倍增極的熱電子發(fā)射；②極間漏電流：由于極間絕緣不夠或灰塵放電；③離子和光的反饋?zhàn)饔茫赫婵詹蛔悖瑲堄鄽怏w碰撞電離；④場致發(fā)射：電極的尖角在高壓下放電；⑤放射性同位素和宇宙射線的影響。當(dāng)前第29頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器⑵減小暗電流的方法：①選擇合適的極間電壓；②在陽極回路中加上與暗電流相反的直流成分來補(bǔ)償；③在倍增輸出電路中加以選頻或鎖相放大濾掉暗電流；④利用冷卻法減小熱電子發(fā)射。4.伏安特性：陰極伏安特性：入射光照E一定時(shí)，IK陰極發(fā)射電流與陰極和第一倍增極之間的電壓的關(guān)系，如圖3-14。陽極伏安特性：E一定時(shí)，Ia與最后一級倍增極之間的電壓

Va的關(guān)系，如圖3-15。當(dāng)前第30頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器感興趣的是陽極伏安特性，可以看作恒流源。5.輸出信號和等效電路⑴圖解法:圖3-16當(dāng)前第31頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器⑵等效電路

當(dāng)時(shí)，為線性應(yīng)用。對直流通路：對交流通路：當(dāng)前第32頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器6.線性⑴引起非線性的原因：空間電荷內(nèi)因：光電倍增管內(nèi)部結(jié)構(gòu)：光電陰極電阻率聚焦和收集效率變化 信號電流→負(fù)載電阻外因：外部高壓供電和信號輸出電路： 負(fù)反饋 電壓再分配⑵解決方法①極間電壓保持足夠高；當(dāng)前第33頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器②陰極電阻：（一部分被照射，一部分沒有被照射）；③負(fù)載電阻：光電流→負(fù)載電阻壓降→陽極電壓↓用運(yùn)放作電流電壓轉(zhuǎn)換，減小有效負(fù)載電阻；④陽極或倍增輸出電流引起電阻鏈中電壓再分配：I↑→電阻壓降→陽極電壓↓→0解決辦法：電阻鏈中的電流至少應(yīng)大于1000倍的最大陽極電流。7.穩(wěn)定性陽極電流隨工作時(shí)間的變化，在閃爍計(jì)數(shù)和光度測量中十分重要。⑴長期工作中靈敏度的慢漂移當(dāng)前第34頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器原因：最后n級倍增極在大量電子轟擊下受損，引起二次發(fā)射系數(shù)變化。⑵滯后效應(yīng)：在光電倍增管加上高壓或開始光照的短時(shí)間內(nèi)，陽極輸出的不穩(wěn)定。解決方法：①抗滯后設(shè)計(jì)；②老化（不可逆）：光電倍增管的殘余氣體與光電陰極作用，玻璃中的Na離子摻入光電陰極使靈敏度下降；新的光電倍增管自然老化一段時(shí)間后再使用，使用的陽極電流小一些，可以減緩老化過程。當(dāng)前第35頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器③疲勞：可逆過程→陽極電流 倍增極材料 使用前存放條件靈敏度降低后，在黑暗中放置幾個(gè)小時(shí)再使用可恢復(fù)原狀態(tài).8.時(shí)間特性和頻率特點(diǎn)⑴上升時(shí)間：10%→90%所用的時(shí)間。⑵渡越時(shí)間：光脈沖到達(dá)光電陰極和陽極輸出最大脈沖電流達(dá)到最大值的時(shí)間間隔定義為光電子的渡越時(shí)間。⑶渡越時(shí)間離散：函數(shù)光脈沖照到光電陰極的不同區(qū)域，發(fā)射的電子到達(dá)陽極的渡越時(shí)間的不一致性。當(dāng)前第36頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器9.磁場特性：磁場改變光電子的正常運(yùn)動軌跡，引起光電倍增管靈敏度下降，噪聲增加。降低方法：①光電倍增管加屏蔽筒，筒長至少是光電倍增管的2倍。10.空間均勻性：由光電陰極表面的均勻性和倍增的結(jié)構(gòu)決定。方法：①使光電倍增管前加漫射器；②入射光斑均勻；③偏振光入射，經(jīng)過漫反射器可以大大降低偏振度，減小偏振誤差。當(dāng)前第37頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器11.偏振效應(yīng)：線偏振光以角入射到光電陰極上面，當(dāng)改變偏振面時(shí)，陽極電流會發(fā)生變化。解決方法：安裝漫射器以減小這類誤差。12.噪聲：散粒噪聲：陰極電流產(chǎn)生的散粒噪聲 各級倍增極的散粒噪聲⑴設(shè)光電陰極電流：IK,散粒噪聲的均方值：當(dāng)前第38頁\共有44頁\編于星期六\16點(diǎn)第三章光電子發(fā)射探測器⑵設(shè)第一倍增極的倍增系數(shù):

設(shè)第二倍增極的倍