第05章_光電子發(fā)射探測器

1、光電科學與工程學院光電科學與工程學院College Of Optoelectric Science and Engineeringp0eIMhv 光子探測器光子探測器M光電增益輸出光電流光電導探測器：光電導探測器：M可以大于可以大于1光電三極管：光電三極管： M102雪崩光電二極管：雪崩光電二極管：M103？ M106光電科學與工程學院光電科學與工程學院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0505章章 光電子發(fā)射探測器光電子發(fā)射探測器Photoemissive detector,簡稱簡稱PE探測器探測器光光 電電 管：管：光電倍增管

2、：光電倍增管：被半導體光電器件取代被半導體光電器件取代 極高靈敏度極高靈敏度 10106 6 快速響應快速響應 psps應應 用：用：微弱光信號、快速脈沖弱光信號微弱光信號、快速脈沖弱光信號也稱為真空光電器件 光電科學與工程學院光電科學與工程學院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0505章章 光電子發(fā)射探測器光電子發(fā)射探測器5.1 5.1 光電陰極光電陰極5.2 5.2 光電管和光電倍增管結(jié)構(gòu)原理光電管和光電倍增管結(jié)構(gòu)原理5.3 5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)5.4 5.4 光電倍增管的工作電路光電倍增管

3、的工作電路5.1 5.1 光電陰極光電陰極具有外光電效應的材料具有外光電效應的材料 光電子發(fā)射體光電子發(fā)射體光電子發(fā)射探測器中的光電子發(fā)射體光電子發(fā)射探測器中的光電子發(fā)射體 又稱為又稱為光電陰極光電陰極 光電陰極光電陰極是完成光電轉(zhuǎn)換的重要部件，其性能是完成光電轉(zhuǎn)換的重要部件，其性能好壞直接影響整個光電發(fā)射器件的性能！好壞直接影響整個光電發(fā)射器件的性能！常用的光電陰極材料常用的光電陰極材料反射系數(shù)大、吸收系反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大適大、逸出功大適應對紫外靈敏的光電應對紫外靈敏的光電探測器。探測器。 光吸收系數(shù)大得多，散光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，

4、量子效射能量損失小，量子效率比金屬大得多光率比金屬大得多光譜響應：可見光和近紅譜響應：可見光和近紅外波段。外波段。金屬：金屬：半導體：半導體：5.1 5.1 光電陰極光電陰極0AE0AE常規(guī)光電陰極常規(guī)光電陰極負電子親和勢陰極負電子親和勢陰極 半導體材料廣泛用作光電陰極半導體材料廣泛用作光電陰極 1 1、常規(guī)光電陰極、常規(guī)光電陰極（1）AgOCs材料：材料： （2）單堿銻化物：）單堿銻化物： （3）多堿銻化物：）多堿銻化物： （4）紫外光電陰極：）紫外光電陰極： 最早的光電陰極最早的光電陰極表表51 主要應用于近紅外探測主要應用于近紅外探測 CsSb陰極最為常用陰極最為常用表表51 紫外和可見

5、光區(qū)的靈敏度最高紫外和可見光區(qū)的靈敏度最高 SbNaKCs 最實用的光電陰極材料，高靈敏度、最實用的光電陰極材料，高靈敏度、寬光譜，紅外端延伸寬光譜，紅外端延伸930nm，用于寬帶光譜測量儀，用于寬帶光譜測量儀5.1 5.1 光電陰極光電陰極1 1、常規(guī)光電陰極、常規(guī)光電陰極4紫外光電陰極紫外光電陰極 光電陰極只對所探測的紫外輻射信號靈敏，光電陰極只對所探測的紫外輻射信號靈敏，而對可見光無響應，這種陰極通常稱為而對可見光無響應，這種陰極通常稱為“日盲日盲”型光電陰極型光電陰極?！叭彰と彰ぁ毙凸怆婈帢O型光電陰極實用的兩種：實用的兩種：碲化銫碲化銫(CsTe)長波限為長波限為0.32m碘化銫碘化銫

6、(Csl) 長波限為長波限為0.2 m。響應范圍響應范圍(100280nm) 軍事應用舉例軍事應用舉例5.1 5.1 光電陰極光電陰極太陽光中的紫外光太陽光中的紫外光大氣中的氧和臭氧層大氣中的氧和臭氧層中紫外（中紫外（0.20.3m）完全吸收完全吸收 “日盲日盲”區(qū)區(qū)近紫外（近紫外（0.30.4m）透過最多，均勻分布透過最多，均勻分布“窗口窗口”區(qū)區(qū)軍事攻擊目標軍事攻擊目標如飛機的尾焰如飛機的尾焰)的的紫外輻射強紫外輻射強軍事攻擊目標擋住太陽紫軍事攻擊目標擋住太陽紫外光，形成外光，形成 “暗點暗點” 在在均勻的紫外光背景之上均勻的紫外光背景之上近紫外光電陰極近紫外光電陰極“日盲日盲”型光電陰極

7、型光電陰極2. 2. 負電子親和勢陰極負電子親和勢陰極Negative Electron Affinity ，簡稱，簡稱NEA 5.1 5.1 光電陰極光電陰極電子親和勢電子親和勢EA 真空能級與導帶真空能級與導帶底底能級之差稱為電子親和勢能級之差稱為電子親和勢 電子親和勢越小，材電子親和勢越小，材料發(fā)射光電子的能力料發(fā)射光電子的能力越強。越強。真空能級低于真空能級低于導帶導帶底底能級？能級？2. 2. 負電子親和勢陰極負電子親和勢陰極Negative Electron Affinity ，簡稱，簡稱NEA 5.1 5.1 光電陰極光電陰極電子親和勢電子親和勢EA 真空能級與導帶真空能級與導帶

8、底底能級之差稱為電子親和勢能級之差稱為電子親和勢 負負電子親和勢電子親和勢真空能級低于真空能級低于導帶導帶底底能級能級發(fā)射光電子的能力發(fā)射光電子的能力更強更強2. 2. 負電子親和勢陰極負電子親和勢陰極Negative Electron Affinity ，簡稱，簡稱NEA 5.1 5.1 光電陰極光電陰極1963年年 Simon提出了提出了負電子親和勢負電子親和勢（NEA）理論）理論 1965年年J.J.sheer和和J.V.laar 用銫激活砷化鎵得到用銫激活砷化鎵得到零電子親和勢零電子親和勢光電陰極；光電陰極； 研制出研制出GaAs-Cs負電子親和勢負電子親和勢光電陰極光電陰極負電子親和

9、勢材料結(jié)構(gòu)、原理負電子親和勢材料結(jié)構(gòu)、原理重摻雜的重摻雜的P型型硅表硅表面涂面涂極薄極薄的金屬的金屬Cs，經(jīng)過處理形成經(jīng)過處理形成N型型的的Cs2O。 2. 2. 負電子親和勢陰極負電子親和勢陰極以以Si-Cs2O光電陰極為例光電陰極為例2. 2. 負電子親和勢陰極負電子親和勢陰極P型型Si的的電子親和勢電子親和勢:N型型Cs2O電子親和勢電子親和勢:EA1=E0-EC10EA2=E0-EC20體內(nèi)：體內(nèi)：P型型表面：表面：N型型表面表面電子，電子，能級能級Ec1入射光子入射光子體內(nèi)體內(nèi)電子，能級電子，能級Ec1表面逸出電子表面逸出電子E0-Ec1 0體內(nèi)體內(nèi)有效有效電子親和勢電子親和勢: :

10、 EAe=E0-EC10EA2=E0-EC20EAe=E0-EC115.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)電流增益的穩(wěn)定性：電流增益的穩(wěn)定性：nIIM0KAkdUCknnkUAnUCM10UUknMMdd例如，例如， n912，測量精度，測量精度1%電源電壓穩(wěn)定度電源電壓穩(wěn)定度0.1%。5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)3 3光電特性光電特性陽極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關系，陽極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關系，稱為倍增管的稱為倍增管的光電特性光電特性。線線性性區(qū)區(qū)m1010%3410 （1 1）弱光，例如光譜儀，開狹縫）弱光

11、，例如光譜儀，開狹縫（2 2）線性，用于模擬量測量時重要）線性，用于模擬量測量時重要5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)4 4光譜特性光譜特性 （圖（圖5 59 9和和5 51010 ）近紅外近紅外遠紫外遠紫外可見光可見光短波限短波限窗口材料限制窗口材料限制 長波限長波限陰極材料限制陰極材料限制 5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)4 4光譜特性光譜特性近紅外光近紅外光紫外光紫外光可見光可見光對比光譜響應范圍：對比光譜響應范圍：PE探測器探測器PV探測器探測器紫外光紫外光可見光可見光紅外遠紅外光紅外遠紅外光PC探測器探測器紫外光紫外光可見光可見光紅外極遠

12、紅外光紅外極遠紅外光5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)5 5伏安特性伏安特性陰極伏安特性陰極伏安特性 陽極伏安特性：陽極伏安特性： 光電二極管伏安特性：光電二極管伏安特性： 恒流源恒流源計算和分析方法相同計算和分析方法相同5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)5 5伏安特性伏安特性陰極伏安特性陰極伏安特性 陽極伏安特性：陽極伏安特性： 交流微變等效電路交流微變等效電路 恒流源恒流源計算和分析方法相同計算和分析方法相同5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)6 6時間特性時間特性5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)三者分

13、別對信號的響應產(chǎn)生什么影響？三者分別對信號的響應產(chǎn)生什么影響？6 6時間特性時間特性5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)器件器件時間特性時間特性 (單位：單位：ns)結(jié) 構(gòu)上升時間渡越時間渡越時間散差直線聚焦型0.731.350.371.1環(huán)形聚焦型3.4313.6盒柵型7577010百葉窗型76010e010k4pF=40nSLR C 外電路外電路時間特性時間特性 (單位：單位：ns)6 6時間特性時間特性5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)HCe01 /1 / 2LfC R當電路時間常數(shù)較大，倍增管的上限截止頻率：當電路時間常數(shù)較大，倍增管的上限截止

14、頻率：倍增管的響應時間倍增管的響應時間輸出電路的時間常數(shù)輸出電路的時間常數(shù)8.疲勞特性疲勞特性 光電倍增管的靈敏度隨工作時間的延長而光電倍增管的靈敏度隨工作時間的延長而下降。弱光下工作，暗室放置一段時間后，下降。弱光下工作，暗室放置一段時間后，靈敏度可以恢復到初始值。靈敏度可以恢復到初始值。 若管子長期連續(xù)工作或受強光照射，則靈若管子長期連續(xù)工作或受強光照射，則靈敏度不可再恢復，這種現(xiàn)象稱為疲勞。敏度不可再恢復，這種現(xiàn)象稱為疲勞。 光電倍增管不使用時，應存放在黑暗的環(huán)光電倍增管不使用時，應存放在黑暗的環(huán)境中；使用時忌強光照射。境中；使用時忌強光照射。9 9噪聲與噪聲等效功率噪聲與噪聲等效功率

15、陽極陽極散粒噪聲散粒噪聲=陰極陰極散粒噪聲散粒噪聲+ +各級各級散粒噪聲散粒噪聲fKeMIfKIeMiAK22nA22陽極（總的）散粒噪聲的均方值：陽極（總的）散粒噪聲的均方值： 5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)feMIfeIMiMiAK22nK22nA22陰極散粒噪聲對陽極的貢獻：陰極散粒噪聲對陽極的貢獻：陽極陽極散粒噪聲散粒噪聲=陰極陰極散粒噪聲散粒噪聲+各級各級散粒噪聲散粒噪聲feMIfeIMiMiAK22nK22nA22陰極散粒噪聲對陽極的貢獻：陰極散粒噪聲對陽極的貢獻：各級散粒噪聲對陽極的貢獻：各級散粒噪聲對陽極的貢獻：112nK11K1K21nK2nD111

16、22ifeIfIeii221212nK2nD21 iifKqMIfKIqMi AK22nA2222nDnnK12n12n23nn1ii 5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)陽極散粒噪聲陽極散粒噪聲=陰極散粒噪聲陰極散粒噪聲+各級散粒噪聲各級散粒噪聲fqMIfqIMiMi AK22nK22nA22陰極散粒噪聲對陽極的貢獻：陰極散粒噪聲對陽極的貢獻：fKqMIfKIqMi AK22nA22陽極散粒噪聲的均方值：陽極散粒噪聲的均方值： 111K物理意義：物理意義：1.倍增起伏使陽極噪聲增大倍增起伏使陽極噪聲增大K倍倍 2. 增大增大1, 改善信噪比改善信噪比 5.3 光電倍增管的

17、主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)噪聲增強因子噪聲增強因子噪聲等效功率噪聲等效功率:ASiNEP2nA1/221/2KK2(2)AKeIfKeM IfKNEPSSPMT 10-1510-16 W/Hz1/2PIN PD10-14W/Hz1/2APD 10-15W/Hz1/2噪聲等效功率噪聲等效功率計算舉例：計算舉例：1/221/2KK2(2)AKeIfKeM IfKNEPSSCR131 光譜響應范圍光譜響應范圍185900nm；峰值波長；峰值波長400nm 陰極最小有效面積陰極最小有效面積824mm2 典型增益典型增益6106 陽極典型暗電流陽極典型暗電流3nA,最大最大50nA 陰極靈敏度

18、陰極靈敏度250A/Lm NEP=5.0610-14Lm/Hz1/2?W/Hz1/25.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)1 1靈敏度靈敏度 2 2電流增益電流增益3 3光電特性光電特性4 4光譜特性光譜特性5 5伏安特性伏安特性6 6時間特性時間特性7 7暗電流暗電流8 8疲勞特性疲勞特性9 9噪噪 聲聲光電科學與工程學院光電科學與工程學院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0505章章 光電子發(fā)射探測器光電子發(fā)射探測器5.1 5.1 光電陰極光電陰極5.2 5.2 光電管和光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理光電管和光電倍增管

19、的結(jié)構(gòu)原理5.3 5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)5.4 5.4 光電倍增管的工作電路光電倍增管的工作電路5.4 光電倍增管的工作電路光電倍增管的工作電路是保證其正常工作的必要條件，在常用的是保證其正常工作的必要條件，在常用的光探測器件中，其工作電路是最為復雜的。光探測器件中，其工作電路是最為復雜的。工作電路：工作電路：高壓供電電路高壓供電電路信號輸出電路信號輸出電路分壓電阻的確定分壓電阻的確定 并聯(lián)電容的確定并聯(lián)電容的確定 高壓電源高壓電源 接地方式接地方式 高壓供電電路高壓供電電路分壓電阻的確定分壓電阻的確定 maxAR2010II總電壓總電壓UAK 在在10001

20、500 V之間，之間，倍增極極間電壓倍增極極間電壓UD在在80100V之之間可以確定間可以確定分壓電阻分壓電阻5.4 光電倍增管的工作電路光電倍增管的工作電路IRIAmax高壓供電電路高壓供電電路分壓電阻的確定分壓電阻的確定 5.4 光電倍增管的工作電路光電倍增管的工作電路實例：實例：說明：說明：i. 第一級對陰極電流形成影響最大第一級對陰極電流形成影響最大,高出高出2030Vii. 中間級均勻分配中間級均勻分配iii. 最后一級最后一級,要高要高,克服空間電荷區(qū)的影響克服空間電荷區(qū)的影響.高壓供電電路高壓供電電路并聯(lián)電容的確定并聯(lián)電容的確定 探測光脈沖，最后幾級脈沖電流很大，極間電壓不穩(wěn)探測

21、光脈沖，最后幾級脈沖電流很大，極間電壓不穩(wěn)最后幾級并聯(lián)旁路電容最后幾級并聯(lián)旁路電容C1、C2、C3。 電容是儲能元件，通過電容放電可以維持分壓電阻上的電容是儲能元件，通過電容放電可以維持分壓電阻上的電壓不變。電壓不變。5.4 光電倍增管的工作電路光電倍增管的工作電路高壓供電電路高壓供電電路高壓電源高壓電源 專用電源：電壓波動在專用電源：電壓波動在0.050.05以內(nèi)以內(nèi) 5.4 光電倍增管的工作電路光電倍增管的工作電路高壓供電電路高壓供電電路接地方式接地方式 缺點：缺點：陰極負高壓，屏蔽陰極負高壓，屏蔽困難，暗電流和噪聲大。困難，暗電流和噪聲大。優(yōu)點：優(yōu)點：屏蔽罩靠近陰極，效果屏蔽罩靠近陰極，

22、效果好；暗電流小，噪聲低好；暗電流小，噪聲低陽極接地（負高壓接法陽極接地（負高壓接法 ）陰極接地陰極接地( (正高壓接法正高壓接法) )優(yōu)點：優(yōu)點：便于與后面放大器便于與后面放大器相連，操作安全相連，操作安全缺點：缺點：高壓不利于安全操作；高壓不利于安全操作；接耐壓很高的隔直電容器。接耐壓很高的隔直電容器。5.4 光電倍增管的工作電路光電倍增管的工作電路信號輸出電路信號輸出電路 交流微變等效電路交流微變等效電路電流源電流源 利用伏安特性：利用伏安特性： 負載電阻設計負載電阻設計 輸出電流輸出電流 輸出電壓等計算輸出電壓等計算5.4 光電倍增管的工作電路光電倍增管的工作電路信號輸出電路信號輸出電

23、路 用用負載電阻負載電阻實現(xiàn)實現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換：較大的負載電阻較大的負載電阻1.頻率響應變差頻率響應變差2.飽和引起非線性飽和引起非線性 5.4 光電倍增管的工作電路光電倍增管的工作電路負載電阻太大，陽極電壓降低 飽和引起非線性飽和引起非線性 信號輸出電路信號輸出電路 用用負載電阻負載電阻實現(xiàn)實現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換：用用運算放大器運算放大器實現(xiàn)實現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換： 1. 良好的線性良好的線性2. 良好頻率響應特性良好頻率響應特性3. 轉(zhuǎn)換效率高轉(zhuǎn)換效率高較大的負載電阻較大的負載電阻1.頻率響應變差頻率響應變差2.飽和引起非線性飽和引起非線性 5.4 光電倍增管的工作電路光電倍增管的工作電路光電科學與工程學院光電科學與工程學院College Of Optoelectric Science and Engineering光電倍增管應用舉例光電倍增管應用舉例超高速超高速碰撞閃光碰撞閃光光電倍增管測量系統(tǒng)光電倍增管測量系統(tǒng) 光電倍增管應用舉例光電倍增管應用舉例碰撞