第5章++真空光電器件-吳益根

1、 真空光電器件基于外光電效應(yīng)的光電探測(cè)器，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是真空光電器件基于外光電效應(yīng)的光電探測(cè)器，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有一個(gè)真空管，其它元件都放在真空管中。主要包括光電管和有一個(gè)真空管，其它元件都放在真空管中。主要包括光電管和光電倍增管兩類。光電倍增管兩類。 由于光電倍增管具有靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在探由于光電倍增管具有靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在探測(cè)微弱光信號(hào)及快速脈沖弱光信號(hào)方面是一個(gè)重要的探查器件，測(cè)微弱光信號(hào)及快速脈沖弱光信號(hào)方面是一個(gè)重要的探查器件，因此廣泛應(yīng)用于航天、材料、生物、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域。因此廣泛應(yīng)用于航天、材料、生物、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域。 能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體，光電

2、發(fā)射體在光電器件中常作為陰極，所以稱為光電陰極。 光電發(fā)射效應(yīng)-入射光輻射的光子能量足夠大時(shí)，它和金屬或半導(dǎo)體材料中的電子相互作用的結(jié)果使電子從物質(zhì)表面逸出，在空間電場(chǎng)的作用下就會(huì)形成電流。 光電發(fā)射體-能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體。5.1 光電陰極（1）光照靈敏度）光照靈敏度在一定的白光照射下，光電陰極光電流與入射的白光光通量之比，也稱在一定的白光照射下，光電陰極光電流與入射的白光光通量之比，也稱為白光靈敏度或積分靈敏度。為白光靈敏度或積分靈敏度。（2）色光靈敏度）色光靈敏度也就是局部波長(zhǎng)范圍的積分靈敏度。表示在某些也就是局部波長(zhǎng)范圍的積分靈敏度。表示在某些特定的波長(zhǎng)區(qū)域，光電陰極光電流與入射

3、光的白特定的波長(zhǎng)區(qū)域，光電陰極光電流與入射光的白光光通量之比。光光通量之比。通過加濾光片來實(shí)現(xiàn)，比如藍(lán)光靈敏度、紅光靈通過加濾光片來實(shí)現(xiàn)，比如藍(lán)光靈敏度、紅光靈敏度、紅外靈敏度等敏度、紅外靈敏度等（3）光譜靈敏度）光譜靈敏度確定波長(zhǎng)的單色光照射時(shí)，光電陰極光電流與入射的光通量之比。確定波長(zhǎng)的單色光照射時(shí)，光電陰極光電流與入射的光通量之比。 )()(PeNNQ光電陰極受特定波長(zhǎng)的光照射時(shí)，該陰極所發(fā)射的光電子數(shù)與入射光電陰極受特定波長(zhǎng)的光照射時(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，稱為量子效率，用公式表示：的光子數(shù)之比值，稱為量子效率，用公式表示： )(N)(NQPe量子效率與光譜靈敏度

4、之間的關(guān)系如下式；式中量子效率與光譜靈敏度之間的關(guān)系如下式；式中單位為單位為nm；S()為光譜靈敏度，單位為為光譜靈敏度，單位為A/W。hvqIe)()(qhcS)(1240)(S 光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，稱為光譜響應(yīng)曲線。由于電子熱能較大而可能逸出陰極表面，而產(chǎn)生熱電子發(fā)射。室溫下典型陰極每秒每平方米發(fā)射的熱電子可形成10-1610-17A/m2的電流密度，這些熱發(fā)射電子會(huì)引起噪聲。透射型：透射型：通常制作在透明介質(zhì)上，光通過透明介質(zhì)射通常制作在透明介質(zhì)上，光通過透明介質(zhì)射向光電陰極，而光電子從光電陰極的另一面向光電陰極，而光電子從光電陰極的另一面發(fā)射出去，所以

5、又稱為半透明光電陰極。發(fā)射出去，所以又稱為半透明光電陰極。光光電子電子反射型：反射型： 由于光電子的逸出深度是有限的，因此所有由于光電子的逸出深度是有限的，因此所有半透明光電陰極都有一個(gè)最佳厚度。不透明半透明光電陰極都有一個(gè)最佳厚度。不透明陰極通常較厚，光照射到陰極上，電子從同陰極通常較厚，光照射到陰極上，電子從同一測(cè)射出，所以不透明光電陰極又稱為反射一測(cè)射出，所以不透明光電陰極又稱為反射型陰極。型陰極。對(duì)陰極的厚度有要對(duì)陰極的厚度有要求求,不能太厚不能太厚光光電子電子陰極一陰極一般較厚般較厚具有良好的可見和近紅外響應(yīng)具有良好的可見和近紅外響應(yīng)透射型：透射型：3001200nm，反射型：，反射

6、型：3001100nm在可見光區(qū)域靈敏度較低，所以主要用于近紅外探測(cè)在可見光區(qū)域靈敏度較低，所以主要用于近紅外探測(cè)紫外和可見光區(qū)的靈敏度最高紫外和可見光區(qū)的靈敏度最高適合于測(cè)量較強(qiáng)的入射光適合于測(cè)量較強(qiáng)的入射光CsSb：銻和某一種堿金銻和某一種堿金屬的化合物屬的化合物銻和多種堿金屬銻和多種堿金屬的化合物的化合物具有高靈敏度的寬光譜響應(yīng)，紅具有高靈敏度的寬光譜響應(yīng)，紅外端可延伸到外端可延伸到930nm，適用于，適用于寬帶光譜測(cè)量?jī)x。寬帶光譜測(cè)量?jī)x。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）量子效率高）量子效率高-因其逸出深度高的多，因其逸出深度高的多，如圖為如圖為GaAs,InGaAs,GaAsP等材料的光譜響應(yīng)曲線。他

7、等材料的光譜響應(yīng)曲線。他們?cè)诤軐挼墓庾V范圍內(nèi)光譜們?cè)诤軐挼墓庾V范圍內(nèi)光譜響應(yīng)曲線平坦。響應(yīng)曲線平坦。2）光譜響應(yīng)率均勻，且光譜響應(yīng)延伸到紅外）光譜響應(yīng)率均勻，且光譜響應(yīng)延伸到紅外正電子親合勢(shì)光電陰正電子親合勢(shì)光電陰極的閾值波長(zhǎng)為極的閾值波長(zhǎng)為)nm(EE1240Ag0負(fù)電子親合勢(shì)光電負(fù)電子親合勢(shì)光電陰極的閾值波長(zhǎng)為陰極的閾值波長(zhǎng)為)nm(E1240g03）熱電子發(fā)射?。犭娮影l(fā)射小與光譜響應(yīng)范圍相同的正電子親合勢(shì)的光電發(fā)射材料相與光譜響應(yīng)范圍相同的正電子親合勢(shì)的光電發(fā)射材料相比，負(fù)電子親合勢(shì)的光電材料的禁帶寬度一般比較寬，比，負(fù)電子親合勢(shì)的光電材料的禁帶寬度一般比較寬，所以熱電子不容易發(fā)射。所

8、以熱電子不容易發(fā)射。-在某些應(yīng)用中，為了消除背景輻射的影在某些應(yīng)用中，為了消除背景輻射的影響，要求光電陰極只對(duì)所探測(cè)的紫外輻射響，要求光電陰極只對(duì)所探測(cè)的紫外輻射信號(hào)靈敏，而對(duì)可見光無響應(yīng)，這種陰極信號(hào)靈敏，而對(duì)可見光無響應(yīng)，這種陰極通常稱為通常稱為“日日”盲型光電陰極盲型光電陰極CsTe(長(zhǎng)波限長(zhǎng)波限0.32m m）CsI（長(zhǎng)波限（長(zhǎng)波限0.2m)目前比較常用的有：目前比較常用的有：4）光電子的能量集中）光電子的能量集中當(dāng)負(fù)電子親合勢(shì)光電陰極受光照時(shí)，被激發(fā)的電子在導(dǎo)當(dāng)負(fù)電子親合勢(shì)光電陰極受光照時(shí)，被激發(fā)的電子在導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化并落入導(dǎo)帶底，熱化電子很容易擴(kuò)散到達(dá)帶內(nèi)很快熱化并落入導(dǎo)帶底，熱化

9、電子很容易擴(kuò)散到達(dá)能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所以其光電子能量基能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所以其光電子能量基本上等于導(dǎo)帶底的能量。本上等于導(dǎo)帶底的能量。5.2 5.2 光電管與光電倍增管光電管與光電倍增管陰極陰極K K陽極陽極A AI IR RL LU UoutoutU Ub b真空型真空型充氣型：充氣型：有有倍增作用倍增作用 光電管主要由玻管（光窗）、光電陰極和陽極三部分組成。下圖為工作電路和結(jié)構(gòu)示意圖。 因光電管內(nèi)有抽成真空或充入低壓惰性氣體，所以又真空型和充氣型兩種。 真空光電管的工作原理是：當(dāng)入射的光線從光窗照射到光電陰極上時(shí)，后者就發(fā)射光電子，光電子在電場(chǎng)的作用下被加速，并被陽

10、極收集，形成的光電流的大小主要由陰極靈敏度和光照強(qiáng)度等決定。 在充氣光電管中，光電陰極產(chǎn)生的光電子在加速向陽極運(yùn)動(dòng)中與氣體原子碰撞而使后者發(fā)生電離，電離產(chǎn)生的新電子數(shù)倍于原光電子，因此在電路內(nèi)形成數(shù)倍于真空管的光電流。 光電倍增管實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)如下圖所示，光電倍增管主要光電倍增管實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)如下圖所示，光電倍增管主要由入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽由入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極極5個(gè)組要部分組成個(gè)組要部分組成光電倍增管光電倍增管-是在光電管的基礎(chǔ)上研制出來的一種真空是在光電管的基礎(chǔ)上研制出來的一種真空光電器件，由于在結(jié)構(gòu)上增加了電子光學(xué)系統(tǒng)和電子倍增光

11、電器件，由于在結(jié)構(gòu)上增加了電子光學(xué)系統(tǒng)和電子倍增極，因此極大地提高了檢測(cè)靈敏度。極，因此極大地提高了檢測(cè)靈敏度。電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)陰極陰極K KA A陽極陽極AU U1 1U U2 2U U5 5U U6 6U U3 3D D2 2U U4 4D D3 3D D1 1D D4 4D D5 5每一倍增極之間的電壓為每一倍增極之間的電壓為50-150V50-150V。每每7-107-10個(gè)光子從光電陰極發(fā)射出個(gè)光子從光電陰極發(fā)射出1-31-3個(gè)電子。個(gè)電子。電子被加速打在倍增極上，每電子被加速打在倍增極上，每1 1個(gè)電子可以打出個(gè)電子可以打出3-63-6個(gè)電子。個(gè)電子。一直持續(xù)下去直到最后一

12、個(gè)倍增極一直持續(xù)下去直到最后一個(gè)倍增極, ,電子數(shù)量達(dá)到電子數(shù)量達(dá)到10105 5-10-108 8，最后這些電子被吸引到陽極形成電流輸出。電流的大小正比于光陰極接受最后這些電子被吸引到陽極形成電流輸出。電流的大小正比于光陰極接受的光子數(shù)目，即正比于探測(cè)器吸收的輻射通量或照度。的光子數(shù)目，即正比于探測(cè)器吸收的輻射通量或照度。工作原理工作原理反射式光反射式光電陰極電陰極透射式光透射式光電陰極電陰極-決定了入射光的透過情況決定了入射光的透過情況側(cè)窗式側(cè)窗式端窗式端窗式 光電倍增管的光窗是入射光的通道，光窗材料對(duì)光的光電倍增管的光窗是入射光的通道，光窗材料對(duì)光的吸收與波長(zhǎng)有光，波長(zhǎng)越短吸收越多。光窗

13、通常有側(cè)窗和吸收與波長(zhǎng)有光，波長(zhǎng)越短吸收越多。光窗通常有側(cè)窗和端窗兩種類型。側(cè)窗式是通過管殼的側(cè)面接收入射光，端端窗兩種類型。側(cè)窗式是通過管殼的側(cè)面接收入射光，端窗是通過端面接收入射光。窗是通過端面接收入射光。光電倍增管常用的窗口材料有硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、藍(lán)寶石和MgF2它們的透射率如右圖所示，下面簡(jiǎn)單討論這些材料的特性。硼硅玻璃：透射范圍從300nm紅外。透紫外玻璃：可透過的最短波長(zhǎng)為185nm，但化學(xué)穩(wěn)定性較差熔融石英：可透過的最短波長(zhǎng)為160nm藍(lán)寶石：可透過的最短波長(zhǎng)為150nmMgF2: 可透過的最短波長(zhǎng)為115nm是指：陰極到倍增系統(tǒng)第是指：陰極到倍增系統(tǒng)第一倍增極之間

14、的電極空間，一倍增極之間的電極空間，包括光電陰極、聚焦極、包括光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。加速極及第一倍增極。作用：作用：使光電子盡可能的匯集到第一倍增極上，而將其他部分的使光電子盡可能的匯集到第一倍增極上，而將其他部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比。雜散熱電子散射掉，提高信噪比。盡量使電子的渡越時(shí)間相同，這樣可以保證光電倍增管的盡量使電子的渡越時(shí)間相同，這樣可以保證光電倍增管的快速響應(yīng)。快速響應(yīng)。二次電子二次電子發(fā)射系數(shù)發(fā)射系數(shù)當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子轟擊倍增極材料當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子轟擊倍增極材料時(shí)，倍增極表面將發(fā)射新的電子。稱入射的電時(shí)，倍增極表面將發(fā)射新的電子。稱入射的電子為一次

15、電子，從倍增極表面發(fā)射的電子為二子為一次電子，從倍增極表面發(fā)射的電子為二次電子。為了表征材料發(fā)射電子的能力，用右次電子。為了表征材料發(fā)射電子的能力，用右邊系數(shù)表示。邊系數(shù)表示。二次電子發(fā)射過程可以分為二次電子發(fā)射過程可以分為3個(gè)階段：個(gè)階段：12NN倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個(gè)倍增極都是有倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個(gè)倍增極都是有二次電子材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。二次電子材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。材料吸收一次電子的能量，躍遷到高能態(tài)，脫離材料吸收一次電子的能量，躍遷到高能態(tài)，脫離原子的速縛，稱為內(nèi)二次電子原子的速縛，稱為內(nèi)二次電子內(nèi)二次電子中速度指

16、向表面的電子向表面運(yùn)動(dòng)內(nèi)二次電子中速度指向表面的電子向表面運(yùn)動(dòng)穿過表面勢(shì)壘區(qū)發(fā)射到真空中穿過表面勢(shì)壘區(qū)發(fā)射到真空中一般為一般為3-63-6個(gè)個(gè)可達(dá)可達(dá)20-2520-25個(gè)個(gè)N N1 1入射光子數(shù)入射光子數(shù)N N2 2出射光電數(shù)出射光電數(shù)大致可以分為以下4類主要銀氧和銻銫兩種化合物，它們即可做光電發(fā)射材料，也可做二次電子發(fā)射材料氧化物型，氧化鎂、氧化鋇合金型，銀鎂、鋁鎂、銅鎂、銅鈹負(fù)電子親合勢(shì)材料，如銫激活的磷化鎵有聚焦型和非聚焦型兩大類。有聚焦型和非聚焦型兩大類。聚焦型聚焦型-鼠籠式、鼠籠式、盒柵式、盒柵式、直線聚焦式直線聚焦式非聚焦型非聚焦型-百葉窗式、近貼柵網(wǎng)式、百葉窗式、近貼柵網(wǎng)式、微

17、通道微通道板式板式AKU Uoutout陰極陰極K KA A陽極陽極D D2 2E=700-3000VE=700-3000VD D3 3D D1 1D D4 4D D5 5R R6 6R R3 3R R2 2R R1 1R R4 4R R5 5R RL LI IP P陽極的作用是收集從末級(jí)倍增極發(fā)射出的二次電子。最簡(jiǎn)單常用的陽極是陽極的作用是收集從末級(jí)倍增極發(fā)射出的二次電子。最簡(jiǎn)單常用的陽極是柵狀陽極，他的輸出電容小，陽極附近也不易產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。柵狀陽極，他的輸出電容小，陽極附近也不易產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。光電倍增管的工作原理：光電倍增管的工作原理：1.光子透過入射窗口入射在光電陰極光子透過入

18、射窗口入射在光電陰極K上上2.光電陰光電陰極受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子極受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子3.光電子被電子光學(xué)系統(tǒng)加速和聚集后入射光電子被電子光學(xué)系統(tǒng)加速和聚集后入射到第一倍增極到第一倍增極D1上，倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入上，倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)射電子經(jīng)N級(jí)倍增極倍增后，光電子數(shù)就放大級(jí)倍增極倍增后，光電子數(shù)就放大N次次4.經(jīng)過倍增后的二次電子經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極由陽極P收集起來，形成陽極光電流收集起來，形成陽極光電流Ip，在負(fù)載上產(chǎn)生信號(hào)電壓，在負(fù)載上產(chǎn)生信號(hào)電壓Uo陰極輸出電流與入射光通量之比5.3 光電倍增管的主要特性

19、參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)KKIS陽極光照靈敏度表示光電倍增管在接收分布溫度為陽極光照靈敏度表示光電倍增管在接收分布溫度為2856K2856K的光的光輻射時(shí)，陽極輸出信號(hào)電流與入射到陰極上的輻射時(shí)，陽極輸出信號(hào)電流與入射到陰極上的光通量之比光通量之比PPIS k12CUNN二次電子發(fā)射系數(shù)二次電子發(fā)射系數(shù)與極間電壓的關(guān)系與極間電壓的關(guān)系C是常數(shù)是常數(shù)k一般為一般為0.70.8設(shè)第一，第二、第三、設(shè)第一，第二、第三、第、第N極的倍增系數(shù)分別為：極的倍增系數(shù)分別為：N321,.,且電子光學(xué)系統(tǒng)的電子收集率為：且電子光學(xué)系統(tǒng)的電子收集率為：則陽極光電電流和陰極電流的關(guān)系為則陽極光電電流和陰極電流的

20、關(guān)系為N321KP.II設(shè)各倍增系數(shù)都為設(shè)各倍增系數(shù)都為則：則：kNNUCKPIIM Nk)CU(NkNkNNE)1N(CkNN)1NE(CkNAE正常工作狀態(tài)下正常工作狀態(tài)下,但無信號(hào)光照的情況下但無信號(hào)光照的情況下,陽極的電流輸出叫暗電流；分為陽極的電流輸出叫暗電流；分為三類：三類：（1）陰極的熱電子發(fā)射是主要原因。）陰極的熱電子發(fā)射是主要原因。 只能通只能通過降低陰極溫度來減弱。過降低陰極溫度來減弱。（2）支撐電極的絕緣體的漏電。保持清潔）支撐電極的絕緣體的漏電。保持清潔（3）高壓電場(chǎng)產(chǎn)生離子反饋）高壓電場(chǎng)產(chǎn)生離子反饋,進(jìn)而形成光反饋進(jìn)而形成光反饋光電倍增管的噪聲主要有光電器件本身的散粒

21、噪聲和熱噪光電倍增管的噪聲主要有光電器件本身的散粒噪聲和熱噪聲、負(fù)載電阻的熱噪聲、光電陰極和倍增極發(fā)射時(shí)的閃爍聲、負(fù)載電阻的熱噪聲、光電陰極和倍增極發(fā)射時(shí)的閃爍噪聲等。噪聲等。致冷對(duì)降低噪聲很有效，使用致冷方法是必須注意以下幾個(gè)致冷對(duì)降低噪聲很有效，使用致冷方法是必須注意以下幾個(gè)問題：?jiǎn)栴}：光電陰極的光譜響應(yīng)曲線會(huì)隨溫度而變化，光電儀器定光電陰極的光譜響應(yīng)曲線會(huì)隨溫度而變化，光電儀器定標(biāo)時(shí)的工作溫度必須和測(cè)量溫度相同標(biāo)時(shí)的工作溫度必須和測(cè)量溫度相同光電陰極（如光電陰極（如CsSb)CsSb)的電阻會(huì)隨溫度下降而很快增加，的電阻會(huì)隨溫度下降而很快增加，結(jié)果光電流改變了陰極的電位分布，從而影響第一

22、倍增極結(jié)果光電流改變了陰極的電位分布，從而影響第一倍增極的光電子收集效率的光電子收集效率冷卻時(shí)要防止光入射窗上凝結(jié)水汽，引起入射光線的散冷卻時(shí)要防止光入射窗上凝結(jié)水汽，引起入射光線的散射，同樣在管座上也易引起高壓擊穿和漏電流射，同樣在管座上也易引起高壓擊穿和漏電流致冷溫度不能過低，否則可能會(huì)引起陰極和倍增極材料致冷溫度不能過低，否則可能會(huì)引起陰極和倍增極材料的損壞，或者是玻殼封結(jié)處裂開的損壞，或者是玻殼封結(jié)處裂開2 2）陽極伏安特性曲線）陽極伏安特性曲線2351015I IA A( (A)A)UP(V)5050100100相應(yīng)于不同輻射通量值的陽極伏安相應(yīng)于不同輻射通量值的陽極伏安特性示于圖中

23、，它表示陽極電流特性示于圖中，它表示陽極電流 I IP P 對(duì)于最后一級(jí)倍增極和陽極間的電對(duì)于最后一級(jí)倍增極和陽極間的電壓壓U U的關(guān)系。如右下圖可知，當(dāng)陽極的關(guān)系。如右下圖可知，當(dāng)陽極電壓大于一定值后陽極電流趨向飽電壓大于一定值后陽極電流趨向飽和，與入射到陰極面上的光通量成和，與入射到陰極面上的光通量成線性關(guān)系。線性關(guān)系。1 1）陰極伏安特性曲線）陰極伏安特性曲線2351015I IK K(nA)(nA)UK(V)5050100100它表示陰極電流它表示陰極電流 I IK K 與與陰極與第一倍陰極與第一倍增極之間電壓的關(guān)系。如由上圖所增極之間電壓的關(guān)系。如由上圖所示，當(dāng)陰極電壓大于一定值后，

24、陰示，當(dāng)陰極電壓大于一定值后，陰極電流開始趨向飽和，與入射光通極電流開始趨向飽和，與入射光通量成線性關(guān)系。量成線性關(guān)系。光電倍增管具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，能夠在很大光電倍增管具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，能夠在很大光強(qiáng)度變化范圍內(nèi)保持線性。但如果入射光強(qiáng)光強(qiáng)度變化范圍內(nèi)保持線性。但如果入射光強(qiáng)過大，輸出信號(hào)電流就會(huì)偏離理想的線性。這過大，輸出信號(hào)電流就會(huì)偏離理想的線性。這主要是由光電倍增管的陽極線性特性引起的；主要是由光電倍增管的陽極線性特性引起的；如果工作電壓時(shí)恒定的，陰極和陽極的線性就如果工作電壓時(shí)恒定的，陰極和陽極的線性就僅僅取決于電流值，與入射光的波長(zhǎng)無關(guān)。僅僅取決于電流值，與入射光的波長(zhǎng)無關(guān)。I

25、IP P線性區(qū)線性區(qū)飽合區(qū)飽合區(qū)光電倍增管的穩(wěn)定性是指在恒定光照情況下，陽極電流隨時(shí)光電倍增管的穩(wěn)定性是指在恒定光照情況下，陽極電流隨時(shí)間的變化。光電倍增管的穩(wěn)定性與工作電流、極間電壓、運(yùn)間的變化。光電倍增管的穩(wěn)定性與工作電流、極間電壓、運(yùn)行時(shí)間、環(huán)境條件和光照情況等許多因素有關(guān)。行時(shí)間、環(huán)境條件和光照情況等許多因素有關(guān)。當(dāng)入射光或者所加電壓以階躍函數(shù)變化時(shí)，光電倍增管并不當(dāng)入射光或者所加電壓以階躍函數(shù)變化時(shí)，光電倍增管并不能輸出完全相同的階躍函數(shù)信號(hào)，這種現(xiàn)象稱為能輸出完全相同的階躍函數(shù)信號(hào)，這種現(xiàn)象稱為“滯后滯后”。滯后效應(yīng)主要是由于電子偏離設(shè)計(jì)的軌跡及倍增極的陶瓷支滯后效應(yīng)主要是由于電子

26、偏離設(shè)計(jì)的軌跡及倍增極的陶瓷支架和玻殼等靜電作用引起的。架和玻殼等靜電作用引起的。光電倍增管的時(shí)間響應(yīng)主要是由從光陰極發(fā)射光電子、經(jīng)過倍增極放大光電倍增管的時(shí)間響應(yīng)主要是由從光陰極發(fā)射光電子、經(jīng)過倍增極放大到達(dá)陽極的渡越時(shí)間，以及由每個(gè)光電子之間的渡越時(shí)間差決定的。光到達(dá)陽極的渡越時(shí)間，以及由每個(gè)光電子之間的渡越時(shí)間差決定的。光電倍增管的時(shí)間響應(yīng)通常用陽極輸出脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間、電子電倍增管的時(shí)間響應(yīng)通常用陽極輸出脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間、電子的渡越時(shí)間離散來表示。的渡越時(shí)間離散來表示。幾乎所有的光電倍增管都會(huì)受到周圍環(huán)境磁場(chǎng)的影響。磁場(chǎng)會(huì)使本來由幾乎所有的光電倍增管都會(huì)受到周圍環(huán)境磁場(chǎng)

27、的影響。磁場(chǎng)會(huì)使本來由靜電場(chǎng)確定的電子軌跡產(chǎn)生偏移。這種現(xiàn)象在陰極到第一倍增區(qū)域最為靜電場(chǎng)確定的電子軌跡產(chǎn)生偏移。這種現(xiàn)象在陰極到第一倍增區(qū)域最為明顯，因?yàn)樵谶@一區(qū)域，電子路徑最大。在磁場(chǎng)的作用下電子運(yùn)動(dòng)偏離明顯，因?yàn)樵谶@一區(qū)域，電子路徑最大。在磁場(chǎng)的作用下電子運(yùn)動(dòng)偏離正常軌跡，引起光電倍增管靈敏度下降，噪聲增加。正常軌跡，引起光電倍增管靈敏度下降，噪聲增加。5.4 光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路5.4.1 高壓電源高壓電源為了使光電倍增管能正常工作，通常在陰極（為了使光電倍增管能正常工作，通常在陰極（K K）和陽極（）和陽極（P P）之間加上近千伏）之間加上近千

28、伏的高壓。為保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增管系統(tǒng)能得到有效放的高壓。為保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增管系統(tǒng)能得到有效放大，還需將高壓在陰極、聚焦極、倍增極和陽極之間按一定規(guī)律進(jìn)行分配。大，還需將高壓在陰極、聚焦極、倍增極和陽極之間按一定規(guī)律進(jìn)行分配。從光電倍增管的工作原理可知，它必須工作在高壓狀態(tài)下，而且光電倍增管對(duì)從光電倍增管的工作原理可知，它必須工作在高壓狀態(tài)下，而且光電倍增管對(duì)高壓電源的穩(wěn)定性要求比較高。在精密的光輻射測(cè)量中，通常要求穩(wěn)定度在高壓電源的穩(wěn)定性要求比較高。在精密的光輻射測(cè)量中，通常要求穩(wěn)定度在0.01%0.05%0.01%0.05%之間。之間。目前，光電

29、倍增管常用的一種體積小巧的高壓電源模塊，如左下圖所示。調(diào)節(jié)目前，光電倍增管常用的一種體積小巧的高壓電源模塊，如左下圖所示。調(diào)節(jié)控制端的電阻或電壓值，輸出的電壓可以在控制端的電阻或電壓值，輸出的電壓可以在-200-1200V-200-1200V之間變化，如右下圖之間變化，如右下圖所示。所示。光電倍增管工作時(shí)，需要在陰極和陽極之間加上光電倍增管工作時(shí)，需要在陰極和陽極之間加上500-1000V500-1000V的高壓。該高壓將以的高壓。該高壓將以適當(dāng)?shù)谋壤峙浣o聚焦極、倍增極和陽極，保證光電子能被有效地收集，光電流適當(dāng)?shù)谋壤峙浣o聚焦極、倍增極和陽極，保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增系統(tǒng)得

30、到放大。實(shí)際應(yīng)用中各級(jí)間的電壓都是由連接于陽極與陰極之間通過倍增系統(tǒng)得到放大。實(shí)際應(yīng)用中各級(jí)間的電壓都是由連接于陽極與陰極之間的分壓電阻所得到的，這一電路被稱為高壓分壓電路。的分壓電阻所得到的，這一電路被稱為高壓分壓電路。高壓分壓電路的接地方式有陽極接地和陰極接地兩種方式。高壓分壓電路的接地方式有陽極接地和陰極接地兩種方式。多數(shù)情況下采用陽極接地、陰極接負(fù)高壓的方式，如圖所示。此方案消除了外部多數(shù)情況下采用陽極接地、陰極接負(fù)高壓的方式，如圖所示。此方案消除了外部電路域陽極之間的電壓差，便于電流計(jì)或電流電路域陽極之間的電壓差，便于電流計(jì)或電流- -電壓轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器直接與光電電壓轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器直

31、接與光電倍增管相連接。倍增管相連接。5.4.2 高壓分壓電路高壓分壓電路陰極陰極K KA A陽極陽極D D2 2E ED D3 3D D1 1D D4 4D D5 5R R6 6R R3 3R R2 2R R1 1R R4 4R R5 5I IP PbIA5.4.3 分壓電流與輸出線性的關(guān)系分壓電流與輸出線性的關(guān)系 流經(jīng)分壓電路的電流被稱為分壓電流，該流經(jīng)分壓電路的電流被稱為分壓電流，該電流與光電倍增管輸出電流的線性有著密切關(guān)電流與光電倍增管輸出電流的線性有著密切關(guān)系。如圖所示，入射到光電倍增管陰極的光通系。如圖所示，入射到光電倍增管陰極的光通量與陽極電流的理想線性關(guān)系從一個(gè)特定的電量與陽極電

32、流的理想線性關(guān)系從一個(gè)特定的電流值（流值（B B段）開始發(fā)生變化，并最終使光電倍段）開始發(fā)生變化，并最終使光電倍增管的輸出飽和（增管的輸出飽和（C C段）。段）。A段：段：當(dāng)入射光比較弱時(shí)，流經(jīng)各分壓電阻的電流當(dāng)入射光比較弱時(shí)，流經(jīng)各分壓電阻的電流差別不大，所以此時(shí)成線性差別不大，所以此時(shí)成線性B段：段：當(dāng)入射光再增強(qiáng)，前面幾級(jí)所分得的電壓明顯當(dāng)入射光再增強(qiáng)，前面幾級(jí)所分得的電壓明顯增大，使它們的二次電子發(fā)射系數(shù)增大，而這增大，使它們的二次電子發(fā)射系數(shù)增大，而這種改變又一步步的被放大，所以使輸出電流的種改變又一步步的被放大，所以使輸出電流的放大倍數(shù)增大放大倍數(shù)增大C段：段：當(dāng)入射光再增強(qiáng)，用電

33、器上的電壓降比較大，使最后一級(jí)與陽級(jí)當(dāng)入射光再增強(qiáng)，用電器上的電壓降比較大，使最后一級(jí)與陽級(jí)之間的電壓被顯著降低，使電子的收集率大大降低，從而進(jìn)入飽之間的電壓被顯著降低，使電子的收集率大大降低，從而進(jìn)入飽和區(qū)和區(qū)一般光電流的最大直流輸出為分壓電流的一般光電流的最大直流輸出為分壓電流的1/201/501/201/50，從而使光電流的改變，從而使光電流的改變不能對(duì)各分壓電阻上的電壓造成顯著的影響不能對(duì)各分壓電阻上的電壓造成顯著的影響 要增大線性輸出范圍，通常采用兩種方法：要增大線性輸出范圍，通常采用兩種方法：1.1.減小分壓電阻的阻值來增加分壓電流減小分壓電阻的阻值來增加分壓電流2.2.在最后一倍

34、增極和陽極之間使用一只齊納二在最后一倍增極和陽極之間使用一只齊納二極管，如右圖所示。如果必要倒數(shù)第二、第三極管，如右圖所示。如果必要倒數(shù)第二、第三極也可以使用齊納二極管。極也可以使用齊納二極管。脈沖電流輸出、電流變化輔值大，對(duì)分壓電路要求高。當(dāng)光電倍增管處于脈脈沖電流輸出、電流變化輔值大，對(duì)分壓電路要求高。當(dāng)光電倍增管處于脈沖工作狀態(tài)時(shí)，在分壓器最后幾級(jí)電阻上并聯(lián)去耦電容，如左下圖所示。使沖工作狀態(tài)時(shí)，在分壓器最后幾級(jí)電阻上并聯(lián)去耦電容，如左下圖所示。使用去耦電容，可以是串聯(lián)方式，也可以是并聯(lián)方式，如右下圖所示。用去耦電容，可以是串聯(lián)方式，也可以是并聯(lián)方式，如右下圖所示。5.4.4 信號(hào)輸出方

35、式信號(hào)輸出方式1. 1. 用負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)電流用負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)電流- -電壓轉(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)換在頻率響應(yīng)要求比較高的場(chǎng)合，負(fù)載電阻應(yīng)盡量可能小一些在頻率響應(yīng)要求比較高的場(chǎng)合，負(fù)載電阻應(yīng)盡量可能小一些當(dāng)輸出信號(hào)的線性要求較高時(shí)，選擇的負(fù)載電阻應(yīng)使信號(hào)電流在它上面的當(dāng)輸出信號(hào)的線性要求較高時(shí)，選擇的負(fù)載電阻應(yīng)使信號(hào)電流在它上面的電壓降在幾伏以下電壓降在幾伏以下負(fù)載電阻應(yīng)比放大器的輸入阻抗小得多負(fù)載電阻應(yīng)比放大器的輸入阻抗小得多如左圖所示，電路的負(fù)載電阻為如左圖所示，電路的負(fù)載電阻為RlRl，光電倍增管的輸出電容為，光電倍增管的輸出電容為CsCs，那么截止頻率為：，那么截止頻率為：要確定一個(gè)最佳的負(fù)載電阻值，

36、還必須考慮連接到光電倍增管上的放大器的要確定一個(gè)最佳的負(fù)載電阻值，還必須考慮連接到光電倍增管上的放大器的輸入阻抗輸入阻抗RinRin。因?yàn)楣怆姳对龉艿挠行ж?fù)載電阻。因?yàn)楣怆姳对龉艿挠行ж?fù)載電阻R0R0為為RlRl和和RinRin的并聯(lián)，所以的并聯(lián)，所以R0R0的阻值要小于的阻值要小于RlRl。分析可知，選擇負(fù)載電阻時(shí)要注意以下分析可知，選擇負(fù)載電阻時(shí)要注意以下3 3個(gè)方面?zhèn)€方面LscRC21fLinL0RR/RR0U2. 2. 用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電流用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電流- -電壓轉(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)換上左圖為一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流上左圖為一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流- -電壓轉(zhuǎn)換電路。由于運(yùn)算放大器的輸

37、電壓轉(zhuǎn)換電路。由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗非常高，光電倍增管的輸出電流被阻隔在運(yùn)算放大器的反相輸入端外。入阻抗非常高，光電倍增管的輸出電流被阻隔在運(yùn)算放大器的反相輸入端外。因此，大多數(shù)的輸出電流流過反饋電阻因此，大多數(shù)的輸出電流流過反饋電阻RfRf，這樣一個(gè)值為，這樣一個(gè)值為IpRfIpRf電壓就分配在電壓就分配在RfRf上。另一方面，運(yùn)算放大器的開環(huán)增益高達(dá)上。另一方面，運(yùn)算放大器的開環(huán)增益高達(dá)1010的的5 5次方，其反相輸入端的電位次方，其反相輸入端的電位與正相輸入端的電位保持相等。因此，運(yùn)算放大器的輸出電壓與正相輸入端的電位保持相等。因此，運(yùn)算放大器的輸出電壓為了防止光電倍增管輸出端發(fā)出高壓，采用由上圖所示的由一只電阻為了防止光電倍增管輸出端發(fā)出高壓，采用由上圖所示的由一只電阻RpRp和二極和二極管管VD1VD1及及VD2VD2組成的保護(hù)電路可以防止前置放大器被損壞。這兩個(gè)二極管應(yīng)有最組成的保護(hù)電路可以防止前置放大器被損壞。這兩個(gè)二極管應(yīng)有最小的漏電流和結(jié)電容，通常采用一個(gè)小信號(hào)放大晶體管或小的漏電流和結(jié)電容，通常采用一個(gè)小信號(hào)放大晶體管或FETFET的的B-EB-E結(jié)。一般結(jié)。一般RpRp的選擇范圍在幾千歐至幾十千歐之間。的選擇范圍在幾千歐至幾十千歐之間。fPRIU00+5.5 微通道板光電倍增管微通道板光電倍增管微通道的排列+高壓電子入口電子出口微通道板的結(jié)