【文檔資料】【精品課件】 精品課件-光電技術(shù)第七講

主講人:張建寰教授單位:機電工程學院測控技術(shù)研究所聯(lián)系方式：光電技術(shù)第七講上節(jié)內(nèi)容回憶1、光生伏特器件的組合件2、光電位置傳感器PSD工作原理、一維PSD、二維PSD3、光生伏特器件的偏置電路反向偏置、零伏偏置本節(jié)內(nèi)容預告1、光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理2、光電倍增管的特性3、光電倍增管的供電電路4、光電倍增管的應用4.2.2光電倍增管組成及工作原理

光電倍增管(PhotomultiplierTube(PMT)是一種真空光電發(fā)射器件。光入射窗光電陰極電子光學系統(tǒng)倍增極陽極Aphotomultipliertube,usefulforlightdetectionofveryweaksignals,isaphotoemissivedeviceinwhichtheabsorptionofaphotonresultsintheemissionofanelectron.Thesedetectorsworkbyamplifyingtheelectronsgeneratedbyaphotocathodeexposedtoaphotonflux.Photomultipliersacquirelightthroughaglassorquartzwindowthatcoversaphotosensitivesurface,calledaphotocathode,whichthenreleaseselectronsthataremultipliedbyelectrodesknownasmetalchanneldynodes.Attheendofthedynodechainisananodeorcollectionelectrode.Overaverylargerange,thecurrentflowingfromtheanodetogroundisdirectlyproportionaltothephotoelectronfluxgeneratedbythephotocathode.工作原理：1.光子透過入射窗口入射在光電陰極上;2.光電陰極上的電子受光子激發(fā)，離開外表發(fā)射到真空中;3.光電子通過電場加速和電子光學系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增級上，倍增級將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級倍增極倍增后，光電子就放大N次；4.經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極收集，形成陽極光電流。1〕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(chǎn)生較高的發(fā)射系數(shù)，電壓高于400V時的二次發(fā)射系數(shù)δ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℃〕。1.PMT的入射窗2.倍增極4.2.3光電倍增管的結(jié)構(gòu)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)δ比銀鎂合金更低些。新開展起來的負電子親和勢材料GaP[Cs]，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200?！?〕

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)。4.3光電倍增管的根本特性4.3.1靈敏度

1、陰極靈敏度

定義光電倍增管陰極電流Ik與入射光譜輻射通量之比為陰極的光譜靈敏度，并記為

假設(shè)入射輻射為白光，那么以陰極積分靈敏度，IK與光譜輻射通量的積分之比，記為SkGV+HVEA10-5~10-2lm

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

假設(shè)入射輻射為白光，那么定義為陽極積分靈敏度，記為SaGV－HVEA10-10~10-6lm4.3.2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)δ有關(guān)，而且與光電倍增管的級數(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)δ的關(guān)系為

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(shù)為η1，且每個倍增極都存在收集系數(shù)ηi，因此，增益G應修正為

對于非聚焦型光電倍增管,η1近似為90%。ηi要高于η1

，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η1≈ηi≈1。倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ可用經(jīng)驗公式計算，對于銻化銫〔Cs3Sb〕倍增極材料有經(jīng)驗公式對于氧化的銀鎂合金〔AgMgO〕材料有經(jīng)驗公式δ=0.025UDD對于銻化銫倍增極材料

對銀鎂合金材料

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。

4.3.3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~nA，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，對噪聲的奉獻小。在低電壓工作時，歐姆漏電成為暗電流的主要局部。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。

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.剩余氣體放電光電倍增管中高速運動的電子會使管中的剩余氣體電離，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(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10~20mm。

4.3.4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

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的散粒效應所引起的。陰極散粒噪聲電流為

散粒噪聲電流將被逐級放大，并在每一級都產(chǎn)生自身的散粒噪聲。如第1級輸出的散粒噪聲電流為

第2級輸出的散粒噪聲電流為

第n級倍增極輸出的散粒噪聲電流為

為簡化問題，設(shè)各倍增極的發(fā)射系數(shù)都等于δ〔各倍增極的電壓相等時發(fā)射系數(shù)相差很小〕時，那么倍增管末倍增極輸出的散粒噪聲電流為δ通常δ在3~6之間，接近于1，并且，δ越大，越接近于1。光電倍增管輸出的散粒噪聲電流簡化為

總噪聲電流為

在設(shè)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

＜＜設(shè)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

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

1.陰極伏安特性

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(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。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φ成線性關(guān)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(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φ成線性關(guān)系而與陽極電壓的變化無關(guān)。

4.3.6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(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載電阻上的壓降對末級倍增極電壓產(chǎn)生負反響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

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(shè)定值便自動關(guān)斷供電電源。

4.4光電倍增管的供電電路

4.4.1電阻鏈分壓型供電電路

光電倍增管具有極高的靈敏度和快速響應等特點，使它在光譜探測和極微弱快速光信息的探測等方面成為首選的光電探測器。

光電倍增管的供電電路種類很多，可以根據(jù)應用的情況設(shè)計出各具特色的供電電路。本節(jié)介紹最常用的電阻分壓式供電電路。

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，各級的電子流按放大倍率分布，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，當流過分壓電阻的電流IR遠遠大于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。

IR≥10Ia選擇的太大將使分壓電阻功率損耗加大，倍增管溫度升高導致性能的降低，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各分壓電阻Ri

為而R1應為R1=1.5Ri2、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)δ，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。

由可以計算出UDD與Ubb。3.末極的并聯(lián)電容

當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、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，τ為脈沖的持續(xù)時間，UDD為極間電壓，L為增益穩(wěn)定度的百分數(shù)。

4.4.3電源電壓的穩(wěn)定度

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

對銻化銫倍增極

由于光電倍增管的輸出信號Uo=GSkφvRL，因此，輸出信號的穩(wěn)定度與增益的穩(wěn)定度有關(guān)

對銀鎂合金倍增極

在實際應用中常常對電源電壓穩(wěn)定度的要求簡單地認為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個數(shù)量級。例如，當要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時，那么要求電源電壓穩(wěn)定度應高于0.1%。例4-1設(shè)入射到PMT上的最大光通量為φv=12×10-6lm，當采用GDB-235型倍增管為光電探測器，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=40μA/lm，假設(shè)要求入射光通量在6×10-6lm時的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設(shè)計該PMT的變換電路。假設(shè)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)定度最高能到達多少？根據(jù)題目對輸出電壓幅度的要求和PMT的噪聲特性，可以選擇陽極電阻Ra=82kΩ(以Uo=GSkφvRL來估算)，陽極電流應不小于Iamin，因此解(1)首先計算供電電源的電壓

Iamin=UO/Ra=0.2V/82kΩ=2.439μA入射光通量為0.6×10-6lm時的陰極電流為

IK=SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA此時，PMT的增益G應為SbCs倍增極材料的增益δ與極間電壓UDD有總電源電壓Ubb為

Ubb=〔N+1.5〕UDD=741VN=8，每一級的增益δ=4.227(2)計算偏置電路電阻鏈的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=GSKφvm=1.02×105×40×10-6×12×10-6=48.96μA取IRi≥10Iam，那么IRi=500μA因此，電阻鏈的阻值Ri=UDD/IRi=156kΩ取Ri=120kΩ，R1=1.5Ri=180kΩ。(3)輸出信號電壓的穩(wěn)定度最高為

例4-2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？解由于Iam=GSKφVm

故陰極面上的入射光通量不能超過

運算放大器輸出PMTVRfCf輸出的電壓4-5光電倍增管的應用一、光譜學

-----利用光吸收原理

1.紫外/可見/近紅外分光光度計

光通過物質(zhì)時使物質(zhì)的電子狀態(tài)發(fā)生變化，而失去局部能量，稱為吸收。利用吸收進行定量分析。為確定樣品物質(zhì)的量，采用連續(xù)的光譜對物質(zhì)進行掃描，并利用光電倍增管檢測光通過被測物質(zhì)前后的強度，即可得到被測物質(zhì)吸收程度，計算出物質(zhì)的量。2.原子吸收分光光度計

廣泛地應用于微量金屬元素的分析。對應于分析的各種元素，需要專用的元素燈，照射燃燒并霧化別離成原子狀態(tài)到被測物質(zhì)上，用光電倍增管檢測光被吸收的強度，并與預先得到的標準樣品比較。二、利用發(fā)光原理１.發(fā)光分光光度計

樣品接受外部照射光的能量會產(chǎn)生發(fā)光，利用單色器將這種光的特征光譜線顯示出來，用光電倍增管探測出特征光譜線是否存在及其強度。這種方法可以迅速地定性或定量地檢查出樣品中的元素。

２.熒光分光光度計

熒光分光光度計依據(jù)生物化學，特別是分子生物學原理。物質(zhì)受到光照射，發(fā)射長波的發(fā)光，這種光稱為熒光。用光電倍增管檢測熒光的強度及光譜特性，可以定性或定量地分析樣品成份。

3.拉曼分光光度計

用單色光照射物質(zhì)后被散亂，這種散亂光中，只有物質(zhì)特有量的不同波長光混合在里面。這種散亂光〔拉曼光〕進行分光測定，對物質(zhì)進行定性定量的分析。由于拉曼發(fā)光極其微弱，因此檢測工作需要復雜的光路系統(tǒng)，并且采用單光子計數(shù)法。三、質(zhì)量光譜學與固體外表分析固體外表分析

固體外表的成分和結(jié)構(gòu)，可以用極細的電子、離子、光或X射線的束流，入射到物質(zhì)外表，對外表發(fā)出的電子、離子、X射線等進行測定來分析。這種技術(shù)在半導體工業(yè)領(lǐng)域被用于半導體的檢查中，如缺陷、外表分析、吸附等。電子、離子、X射線一般采用電子倍增器或MCP來測定。四、環(huán)境監(jiān)測

塵埃粒子計數(shù)器

塵埃粒子計數(shù)器檢測大氣或室內(nèi)環(huán)境中懸浮的粉塵或粒子的密度。它利用了塵埃粒子對光的散亂或β射線的吸收原理。

濁度計

當液體中有懸浮粒子時，入射光會粒子被吸收、折射。對人的眼睛來看是模糊的，而濁度計正是利用了光的透過折射和散射原理，并用數(shù)據(jù)來表示的裝置。

五、生物技術(shù)

細胞分類

細胞分類儀是利用熒光物質(zhì)對細胞標定后，用激光照射，細胞的熒光、散亂光用光電倍增管進行觀察，對特定的細胞進行選別的裝置

熒光計

細胞分類的最終目的是別離細胞，為此，有一種用于對細胞、化學物質(zhì)進行解析的裝置，它稱為熒光計。它對細胞、染色體發(fā)出的熒光、散亂光的熒光光譜、量子效率、偏光、壽命等進行測定。六、醫(yī)療應用

γ相機

將放射性同位素標定試劑注入病人體內(nèi)，通過γ相機可以得到斷層圖象，來判別病灶。從閃爍掃描器開始，經(jīng)逐步改進，γ相機的性能得到快速的開展。光電倍增管通過光導和大面積NaI〔Tl〕組合成探測器正電子CT

放射線同位素〔C11、O15、N18、F18等〕標識的試劑投入病人體內(nèi)，發(fā)射出的正電子同體內(nèi)結(jié)合時，放出淬滅γ線，用光電倍增管進行計數(shù)，用計算機作成體內(nèi)正電子同位素分布的斷層畫面，這種裝置稱為正電子CT。液體閃爍計數(shù)

液體閃爍計數(shù)應用于年代分析和生物化學等領(lǐng)域。將含有放射性同位素物質(zhì)溶于有機閃爍體內(nèi)，并置于兩個光電倍增管之間，兩個光電倍增管同時檢測有機閃爍體的發(fā)光。

臨床檢查

通過對血液、尿液中微量的胰島素、激素、殘留藥物及病毒等對于抗原、抗體的作用特性，進行臨床身體檢查、診斷治療效果等。光電倍增管對被同位素、酶、熒光、化學發(fā)光、生物發(fā)光物質(zhì)等標識的抗原體的量進行化學測定。

七、射線測定

區(qū)域檢測儀

可以連續(xù)地檢測環(huán)境輻射水平。它采用光電倍增管與閃爍體組合的方式，完成對低水平的α射線和γ射線的檢測。

射線測量儀

射線測量儀采用光電倍增管與閃爍體組合的方式完成對低水平的γ射線和β射線的檢測。

八、資源調(diào)查

石油測井應用

石油測井中用以確定石油沉積位置以及儲量等。內(nèi)藏放射源、光電倍增管和閃爍體的探頭進入井中，分析放射源被散射的以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的自然射線，判斷油井周圍的地層類型及密度九、工業(yè)計測厚度計

工業(yè)生產(chǎn)中的諸如紙張、塑料、鋼材等的厚度檢測，可以通過包括放射源、光電倍增管和閃爍體的設(shè)備來實現(xiàn)。對于低密度物質(zhì)，比方橡膠、塑料、紙張等，采用β射線源；諸如鋼板等的高密度物質(zhì)那么使用γ射線?！苍陔婂儭⒄舭l(fā)控制等處，鍍膜的厚度可使用X射線熒光光度計〕半導體檢查系統(tǒng)

廣泛地應用于半導體芯片的缺陷檢查、掩膜錯