光電發(fā)射器件

第六章

光電發(fā)射器件

引言光電發(fā)射器件是基于外光電效應(yīng)的器件。真空光敏二極管光電倍增管變相管像增強(qiáng)器真空電子束攝像管特點(diǎn)：靈敏度高，響應(yīng)快速應(yīng)用：微弱輻射探測、快速捕捉弱輻射脈沖信息例如天文觀測快速運(yùn)動的星體或飛行物及材料工程、生物醫(yī)學(xué)工程、地質(zhì)地理分析領(lǐng)域6.1光電發(fā)射陰極6.1.1光電發(fā)射陰極的主要參數(shù)

光電發(fā)射陰極的主要特性參數(shù)靈敏度量子效率光譜響應(yīng)暗電流

1.靈敏度1)

光譜靈敏度定義：單色輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極輸出電流Ik與單色輻射通量φe,λ之比。Se,λ=IK/φe,λ量綱為μA/W或A/W。

2)

積分靈敏度

定義：在某波長范圍內(nèi)的積分輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極輸出電流Ik與入射輻射通量φe之比。量綱為mA/W或A/W。在可見光波長范圍內(nèi)的“白光”作用于光電陰極時(shí)，白光靈敏度Sv=量綱為mA/lm。

2.量子效率

定義：單色輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極發(fā)射單位時(shí)間發(fā)射出去的光電子數(shù)Ne,λ,與入射的光子數(shù)之比。量子效率和光譜靈敏度是一個(gè)物理量的兩種表示方法。它們之間的關(guān)系為

3.光譜響應(yīng)

光電發(fā)射陰極的光譜響應(yīng)特性用光譜響應(yīng)特性曲線描述，即光電發(fā)射陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關(guān)系曲線。

4.暗電流

光電發(fā)射陰極中少數(shù)處于較高能級的電子在室溫下獲得了熱能產(chǎn)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(guān)。一般光電發(fā)射陰極的暗電流極低，其強(qiáng)度相當(dāng)于10-16~10-18Acm-2的電流密度。

6.1.2光電陰極材料

單堿與多堿銻化物光陰極銻銫(Cs3Sb)、Na2KSb

銀氧銫（Ag-O-Cs）與鉍銀氧銫（Bi-Ag-O-Cs；Bi-O-Ag-Cs；Ag-Bi-O-Cs）光陰極紫外光陰極

Ⅲ-Ⅴ族元素光陰極6.2真空光電管與光電倍增管的工作原理

6.2.1真空光電管（簡稱光電管）的原理光電發(fā)射型器件組成：光電陰極和陽極兩部分類型：真空型：管內(nèi)被抽成真空充氣型：管內(nèi)充入某些低氣壓惰性氣體工作條件：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(fù)極。

1、真空型光電管的工作原理原理：當(dāng)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(shí)，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(yùn)動，被高電位的陽極收集。光電流大小的決定因素：陰極靈敏度入射輻射強(qiáng)度2、充氣型光電管的工作原理光照產(chǎn)生電子在電場的作用下運(yùn)動，途中與惰性氣體原子碰撞而電離，電離又產(chǎn)生新的電子，它與光電子一起都被陽極收集，正離子向反方向運(yùn)動被陰極接收，形成數(shù)倍于真空型光電管的光電流。6.2.2光電倍增管的原理

光電倍增管（Photo-multipletube，簡稱為PMT）是一種真空光電發(fā)射器件。組成：光入射窗光電陰極電子光學(xué)系統(tǒng)倍增極陽極工作過程：光子入射到光電陰極光電陰極產(chǎn)生電子發(fā)射電子在電場中加速運(yùn)動作用于倍增極并產(chǎn)生倍增發(fā)射電子電子經(jīng)N次倍增后被陽極收集，形成電流當(dāng)光子入射到光電陰極面K上時(shí)，只要光子的能量高于光電發(fā)射閾值，光電陰極將產(chǎn)生光電子發(fā)射。發(fā)射到真空中的電子在電場和電子光學(xué)系統(tǒng)的作用下，經(jīng)電子限束器電極F匯聚，并加速運(yùn)動到第一倍增極D1上。第一倍增極在高動能電子的作用下，將發(fā)射比入射電子數(shù)目更多的二次電子。第一倍增極發(fā)射出的電子在第一與第二倍增極之間電場的作用下高速運(yùn)動到第二倍增極。同樣，在第二倍增極上產(chǎn)生電子倍增。經(jīng)N級倍增極倍增后，電子被放大N次，最后被陽極收集，形成陽極電流Ia，Ia將在負(fù)載電阻上產(chǎn)生電壓降，形成輸出電壓。6.2.3光電倍增管的結(jié)構(gòu)入射窗結(jié)構(gòu)：端窗式、側(cè)窗式

倍增極材料：銻化銫（CsSb）氧化的銀鎂合金（AgMgO[Cs]）銅-鈹合金負(fù)電子親和勢材料GaP[Cs]結(jié)構(gòu):聚焦型、非聚焦型6.3光電倍增管的基本特性

靈敏度電流放大倍數(shù)（增益）暗電流噪聲伏安特性線性疲勞與衰老6.3.1靈敏度

陰極靈敏度：反映光電陰極材料對入射光的敏感程度陽極靈敏度：倍增極的倍增特性1、陰極靈敏度

光電倍增管陰極電流Ik與入射光譜輻射通量之比陰極積分靈敏度

2、陽極靈敏度

光電倍增管陽極輸出電流Ia與入射光譜輻射通量之比陽極積分靈敏度6.3.2電流放大倍數(shù)（增益）表征光電倍增管的內(nèi)增益特性決定因素：倍增極材料的二次電子發(fā)射系數(shù)δ光電倍增管的級數(shù)N理想光電倍增管的增益G=δN考慮到電子被倍增極收集，增益修正為

倍增極的收集系數(shù)由定義出發(fā)，光電倍增管在電源電壓確定后，電流放大倍數(shù)可以通過測量陽極電流Ia與陰極電流Ik確定:

銻化銫倍增極材料氧化的銀鎂合金材料δ=0.025UDD倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)δδ與倍增極材料和倍增極的極間電壓UDD有關(guān)6.3.3暗電流

定義：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。特點(diǎn)：光電倍增管的暗電流值在正常應(yīng)用的情況下是很小的，一般為10-16~10-10A，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：

歐姆漏電熱發(fā)射殘余氣體放電場致發(fā)射玻璃殼放電和玻璃熒光光電倍增管的電極之間玻璃漏電、管座漏電和灰塵漏電等，比較穩(wěn)定，對噪聲的貢獻(xiàn)小。低電壓工作時(shí)是暗電流的主要部分。

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。對低頻率弱輻射光信息的探測影響嚴(yán)重。光電倍增管正常工作狀態(tài)下它是暗電流的主要成分。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。

歐姆漏電熱發(fā)射殘余氣體放電場致發(fā)射玻璃殼放電和玻璃熒光歐姆漏電熱發(fā)射殘余氣體放電場致發(fā)射玻璃殼放電和玻璃熒光光電倍增管中高速運(yùn)動的電子會使管中的殘余氣體電離，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(yīng)在工作電壓高時(shí)特別嚴(yán)重，使倍增管工作不穩(wěn)定。

光電倍增管的工作電壓高時(shí)還會引起管內(nèi)電極尖端或棱角的場強(qiáng)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。

當(dāng)光電倍增管負(fù)高壓使用時(shí)，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場很強(qiáng)。在強(qiáng)電場下玻璃殼可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象或出現(xiàn)玻璃熒光，引起暗電流，嚴(yán)重破壞信號。6.3.4噪聲

光電倍增管的噪聲主要有：

散粒噪聲：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(yīng)所引起的。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。

負(fù)載電阻的熱噪聲總噪聲電流為

在設(shè)計(jì)光電倍增管電路時(shí)，總是力圖使負(fù)載電阻的熱噪聲遠(yuǎn)小于散粒噪聲

＜＜6.3.5伏安特性1.陰極伏安特性：當(dāng)入射光電倍增管陰極面上的光通量一定時(shí)，陰極電流Ik與陰極和第一倍增極之間電壓(陰極電壓Uk)的關(guān)系曲線。特點(diǎn)：陰極電壓較小時(shí)，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(dāng)入射到光電倍增管陰極面上的光通量一定時(shí)，陽極電流Ia與陽極和末級倍增極之間電壓(為陽極電壓Ua)的關(guān)系曲線。飽和區(qū)：陽極電壓較低時(shí)，電子流不能完全被陽極吸收。

當(dāng)陽極電壓增大到一定程度后，電子流能完全被陽極收集，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)?？傻刃楹懔髟刺幚?。

6.3.6線性

如何表征？光電倍增管的陽極伏安特性。

造成非線性的原因：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(fù)載電阻上的壓降對末級倍增極電壓產(chǎn)生負(fù)反饋和電壓的再分配破壞輸出信號的線性。

6.3.7疲勞與衰老疲勞：在較輕輻射作用下倍增管靈敏度下降的現(xiàn)象，暫時(shí)現(xiàn)象。衰老：正常運(yùn)用情況下，隨著工作時(shí)間積累，靈敏度逐漸下降且不能恢復(fù)。靈敏度下降的原因：光電陰極材料和倍增極材料中一般都含有銫金屬。當(dāng)電子束較強(qiáng)時(shí)，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。采取措施：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，對光電倍增管進(jìn)行過電流保護(hù)。

6.4光電倍增管的供電電路

特點(diǎn)：極高的靈敏度、快速響應(yīng)、暗電流低、噪聲低。應(yīng)用：光譜探測和極微弱快速光信息的探測等方面。微通道板光電倍增管+半導(dǎo)體光電器件例如：微通道板與CCD結(jié)合構(gòu)成具有微光圖像探測功能的圖像傳感器，廣泛應(yīng)用于天文觀測與航天工程。電路由11個(gè)電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器，分別向10級倍增極提供電壓UDD。6.4.1電阻鏈分壓型供電電路考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應(yīng)，各級的電子流按放大倍率分布，電阻鏈分壓器中流過每級電阻的電流并不相等。當(dāng)流過分壓電阻的電流IR＞＞

Ia時(shí)，流過各分壓電阻Ri的電流近似相等。工程上常設(shè)計(jì)

IR≥10Ia1、電阻鏈的設(shè)計(jì)

銻化銫倍增極材料根據(jù)增益G的要求設(shè)計(jì)極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。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(dǎo)致性能的降低，以至無法工作。

選定電流后，可以計(jì)算出電阻鏈分壓器的總阻值R工程上常設(shè)計(jì)IR≥10IaR=Ubb/IR各分壓電阻R1=1.5Ri6.4.2末極的并聯(lián)電容

原因：當(dāng)入射輻射信號為高速的迅變信號或脈沖時(shí)，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。作用：在末3極并聯(lián)3個(gè)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。6.4.3電源電壓的穩(wěn)定度

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

對銀鎂合金倍增極

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

在實(shí)際應(yīng)用中常常對電源電壓穩(wěn)定度的要求簡單地認(rèn)為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個(gè)數(shù)量級。例如，當(dāng)要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時(shí)，則要求電源電壓穩(wěn)定度應(yīng)高于0.1%。

例設(shè)入射到PMT上的最大光通量為φv=12×10-6lm左右，當(dāng)采用GDB-235型倍增管為光電探測器，已知：它的倍增級數(shù)為8級，陰極為SbCs材料，倍增極也為SbCs材料，陰極靈敏度為40μA/lm，陽極電阻Ra=82kΩ，若要求入射光通量在0.6×10-6lm時(shí)的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設(shè)計(jì)該P(yáng)MT的變換電路。設(shè)計(jì)PMT的變換電路——計(jì)算UDD、Ubb以及電阻鏈阻值入射光通量為0.6×10-6lm時(shí)的陰極電流為

IK=SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA由于N=8，因此，每一級的增益δ=4.227?？傠娫措妷篣bb=（N+1.5）UDD=741V解

(1)首先計(jì)算供電電源的電壓Iamin=UO/Ra=0.2V/82kΩ=2.439μA此時(shí)，PMT的增益SbCs倍增極材料極間電壓陽極電流(2)計(jì)算偏置電路電阻鏈的阻值設(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，則IRi=500μA因此，電阻鏈的阻值Ri=UDD/IRi=156kΩ取Ri=120kΩ，R1=1.5Ri=180kΩ。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%，試問該P(yáng)MT變換電路輸出信號的穩(wěn)定度最高能達(dá)到多少？解：輸出信號電壓的穩(wěn)定度最高為如果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

6.5

光電倍增管的典型應(yīng)用

6.5.1光譜探測領(lǐng)域的應(yīng)用

微光探測、快速光子計(jì)數(shù)和微光時(shí)域分析。1