S2光電探測器件03課件

C2光電探測器件2023/2/612光電探測器件2.1光電探測器的物理效應(yīng)2.2光電探測器的性能參數(shù)2.3外光電效應(yīng)型光電探測器2.4內(nèi)光電效應(yīng)型光電探測器2.5固體成像器件2.6光電探測光源2外光電效應(yīng)型探測器32光電探測器件32.3.1光電陰極光電發(fā)射體：能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體光電發(fā)射體在光電器件中常作為陰極，即光電陰極①光電陰極主要參數(shù)1靈敏度光照靈敏度：在一定的白光(色溫2856K的鎢絲燈)照射下，光電陰極光電流與入射的白光光通量之比，稱白光靈敏度或積分靈敏度。色光靈敏度：在局部波長范圍的積分靈敏度，表示在某些特定波長區(qū)域，陰極光電流與入射光的白光光通量之比。可以采用插入不同的濾光片來獲得不同的光譜范圍。光譜靈敏度：確定波長的單色光照射時，陰極光電流與入射的單色輻射通量之比52.3.1光電陰極①光電陰極主要參數(shù)2量子效率3光譜響應(yīng)曲線表征光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射波長的關(guān)系4熱電子發(fā)射光電陰極中有一些電子的熱能有可能大于光電陰極逸出功，產(chǎn)生熱電子發(fā)射62.3.1光電陰極②光電陰極的分類72.3.1光電陰極③常用光電陰極材料4負電子親和勢光電陰極(NEA)(1)量子效率高92.3.1光電陰極③常用光電陰極材料4負電子親和勢光電陰極(NEA)(2)光譜響應(yīng)率均勻，光譜響應(yīng)向紅外延伸PEA的閾值波長NEA的閾值波長(3)熱電子發(fā)射小與光譜響應(yīng)范圍相同的正電子親和勢的光電發(fā)射材料相比，負電子親和勢材料的禁帶寬度更寬，因而熱電子不容易發(fā)射(4)光電子能量集中102.3.2真空光電管高壓直流放大陰極R-+光束e陽極絲抽真空真空光電管（又稱電子光電管）由封裝于真空管內(nèi)的光電陰極和陽極構(gòu)成。當入射光線穿過光窗照到光陰極上時，由于外光電效應(yīng)，光電子就從極層內(nèi)發(fā)射至真空。在電場的作用下，光電子在極間作加速運動,最后被高電位的陽極接收,在陽極電路內(nèi)就可測出光電流，其大小取決于光照強度和光陰極的靈敏度等因素。112.3.2真空光電管中心陽極型：陰極為半球面結(jié)構(gòu)，中心陽極收集電子。光照面積大，空間電場分布均勻?qū)ΨQ，電子運動路徑相同，極間電容小，電子渡越時間一致性好，高頻特性好。缺點是光電子接收特性差,需要較高的陽極電壓132.3.2真空光電管半圓柱陰極型：收光面積大，極間電場均勻性好，電子路徑一致性好。這種結(jié)構(gòu)有利于增加極間絕緣性能和減少漏電流142.3.1真空光電管平行平板型：收光面積大，極間電場均勻性好，光電子從陰極飛向陽極基本上保持平行直線的軌跡。電子路徑一致性好。極間電容大，時間響應(yīng)特性不好。電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，探測器形成電容，影響電信號的輸出特性。152.3.2真空光電管–主要參數(shù)②光譜特性光輻射功率P、陽極電壓U不變，輸出電流I與輻射光譜的關(guān)系。172.3.2真空光電管–主要參數(shù)③伏安特性給定輻射光譜、功率，輸出電流I與陽極電壓V的關(guān)系。①不同的電極結(jié)構(gòu)，有不同的飽和光電流。②對同一光電管，飽和光電流隨入射光通量的增加而增大③對于不同入射波長的光，即使光通量相同，飽和電流也不同。182.3.2真空光電管–主要參數(shù)④時間（頻率）特性輸出信號電壓一般規(guī)定，下降到頻率為探測器的截止響應(yīng)頻率和響應(yīng)頻率。192.3.3充氣光電管充氣光電管（又稱離子光電管）由封裝于充氣管內(nèi)的光陰極和陽極構(gòu)成。常用的電極結(jié)構(gòu)有中心陰極型、半圓柱陰極型和平板陰極型。充氣光電管最大缺點是在工作過程中靈敏度衰退很快，其原因是正離子轟擊陰極而使發(fā)射層的結(jié)構(gòu)破壞。212.3.3充氣光電管充氣光電管按管內(nèi)充氣不同可分為單純氣體型和混合氣體型。①單純氣體型：這種類型的光電管多數(shù)充氬氣，優(yōu)點是氬原子量小，電離電位低，管子的工作電壓不高。有些管內(nèi)充純氦或純氖，使工作電壓提高。②混合氣體型：常選氬氖混合氣體，其中氬占10％左右。222.3.3充氣光電管–主要參數(shù)①光電特性不存在穩(wěn)定的線性工作區(qū)。陽極電壓U越大，輸出電流I越大；氣壓P越大，輸出電流I越大。232.3.3充氣光電管–主要參數(shù)③時間（頻率）特性離子質(zhì)量遠遠大于電子質(zhì)量，平均速度遠小于電子平均速度，極間渡越時間大大加長。時間特性明顯變壞。④暗電流電離的漲落明顯增強，沒有輻射也可能引起輸出脈沖。252.3.4光電倍增管光電倍增管是基于外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)的電子真空器件。它利用二次電子發(fā)射使逸出的光電子倍增，獲得遠高于光電管的靈敏度，能測量微弱的光信號。262.3.4光電倍增管光電倍增管主要部件入射窗口光電陰極電子光學系統(tǒng)電子倍增系統(tǒng)陽極272.3.4光電倍增管②電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)指陰極到倍增系統(tǒng)第一倍增級之間的電極空間，包括光電陰極、聚焦級、加速級和第一倍增級①使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部匯集到第一倍增級上，而將其他部分的雜散熱電子散射掉，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系統(tǒng)中渡越時間盡可能相等，保證光電倍增管的快速響應(yīng)。292.3.4光電倍增管③電子倍增系統(tǒng)電子倍增系統(tǒng)是由許多倍增級組成的綜合體，每個倍增級都是由二次電子倍增材料構(gòu)成，具有使一次電子倍增的能力。二次發(fā)射系數(shù)倍增級材料1）Ag-O-CsCsSb2）氧化物型3）合金型4）負電子親合勢材料302.3.4光電倍增管③電子倍增系統(tǒng)側(cè)窗聚焦型直接定向線性聚焦型a鼠籠式312.3.4光電倍增管b盒柵式c直線聚焦式③電子倍增系統(tǒng)322.3.4光電倍增管③電子倍增系統(tǒng)d百葉窗式e近貼柵網(wǎng)式f微通道板式332.3.4光電倍增管③電子倍增系統(tǒng)上升時間/ns均勻性收集率特點鼠籠式0.9-3.0差好結(jié)構(gòu)緊湊，高速盒柵式6-20好極好高收集率直線聚焦式0.7-3.0差好高速、線性好百葉窗式6-18好差適合于大直徑管近貼柵網(wǎng)式1.5-5.5好差線性好，抗磁微通道板式0.1-0.3好差超高速，抗磁6種端窗式PMT的倍增極結(jié)構(gòu)比較342.3.4光電倍增管④陽極陽極：輸出最終的倍增電子流。352.3.4光電倍增管362.3.4光電倍增管–主要參數(shù)①靈敏度1）光譜響應(yīng)陰極的光譜靈敏度取決于光電陰極和窗口材料性質(zhì)陽極的光譜靈敏度等于陰極的光譜靈敏度與光電倍增管放大系數(shù)之積2）陰極靈敏度3）陽極光照靈敏度372.3.4光電倍增管–主要參數(shù)光電倍增管的二次電子發(fā)射系數(shù)是倍增極間電壓的函數(shù)由光電陰極發(fā)射的光電流撞擊第一倍增級后，產(chǎn)生二次發(fā)射電流，其二次電子發(fā)射系數(shù)為第N級的二次電子發(fā)射系數(shù)為陽極輸出電流為②增益382.3.4光電倍增管–主要參數(shù)光電倍增管的放大倍數(shù)為若倍增管各級分壓均勻，級間電壓相等，則放大倍數(shù)與所加電壓關(guān)系為②增益392.3.4光電倍增管–主要參數(shù)注意，G與所加電壓有關(guān)，一般在之間。如果電壓波動，倍增系數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)汁漲落。所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計漲落，從而減小測量誤差。②增益402.3.4光電倍增管–主要參數(shù)③暗電流在施加規(guī)定電壓后，在無光照情況下的陽極電流決定PMT的極限靈敏度熱電子發(fā)射極間歐姆漏電殘余氣體及場致發(fā)射412.3.4光電倍增管–主要參數(shù)③暗電流在低電壓下，暗電流由漏電流決定；電壓較高時。主要是熱電子發(fā)射；電壓再大，則導致場致發(fā)射和殘余氣體離子發(fā)射，暗電流急劇增加422.3.4光電倍增管–主要參數(shù)④噪聲PMT的噪聲主要有光電器件本身的散粒噪聲和熱噪聲、負載電阻的熱噪聲、光電陰極和倍增發(fā)射時的閃爍噪聲減少噪聲和暗電流的有效方法是致冷⑤伏安特性陰極伏安特性入射光通量一定時，陰極光電流與陰極和第一倍增級之間的電壓陽極伏安特性入射光通量一定時，陽極光電流與陽極和最后一級倍增極之間的電壓432.3.5微光通道板(通道電子倍增器)微光通道板由大量平行堆積的微通道電子倍增器組成的薄板微通道是一塊通道內(nèi)壁具有良好二次發(fā)射性能（δ>3）和導電性能的微細玻璃纖維，孔徑為6-45μm，長度為0.6-1.6mm442.3.5微光通道板(通道電子倍增器)工作時管子兩端加直流電壓，管內(nèi)建立均勻電場。入射電子進入CEM低電位端后和管壁表面相撞并發(fā)射出二次電子。二次電子被管內(nèi)電場沿軸向加速，獲得足夠高的能量后又與管壁相撞并產(chǎn)生更多的二次電子。最終在高電位端輸出增益達的電子束。452.3.5微光通道板(通道電子倍增器)微通道板必須工作在高真空的條件下。電子在倍增過程中走的路程很短，僅幾毫米,飛行時間只有1納秒左右,飛行時間漲落則更小，從而有可能成為皮秒級的光電轉(zhuǎn)換，電子倍增器件中的重要組成部分。462.3.5微光通道板(通道電子倍增器)增益特性、電流傳遞特性、噪聲特性①增益：輸出電流與輸入電流之比。材料常數(shù)k（決定二次發(fā)射系數(shù)）、通道電壓U

、發(fā)射初電位v0、結(jié)構(gòu)參數(shù)管道長徑比α472.3.5微光通道板(通道電子倍增器)①增益：輸出電流與輸入電流之比。增益與通道絕對尺寸無關(guān)微通道板長徑比的最佳值最大增益482.3.5微光通道板(通道電子倍增器)②電流傳遞特性微通道板的自飽和效應(yīng)：當輸入電流大到一定程度時，輸出電流出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。自飽和效應(yīng)使像管具有防強光的特性，因強光產(chǎn)生的光電流受微通道板飽和電流的限制而不會輸出過高的電流。492.3.5微光通道板(通道電子倍增器)②電流傳遞特性1通道壁的電阻效應(yīng)微通道板施加工作電壓U，在通道壁上產(chǎn)生傳導電流由于通道內(nèi)壁發(fā)射二次電子，產(chǎn)生局部附加電流，Is(x)，其方向與傳導電流相反，是通道軸向坐標x的函數(shù)，在輸入端最小，隨倍增級數(shù)增加而變大，在輸出端達到最大。微通道板在工作狀態(tài)，通道板內(nèi)電流為502.3.5微光通道板(通道電子倍增器)②電流傳遞特性1通道壁的電阻效應(yīng)通道內(nèi)的電壓降為零，場強為零電子通過通道時得不到加速，沒有足夠能量產(chǎn)生二次電子通道的輸出電流不再隨輸入電流增加而增加，形成輸出電流密度的飽和。飽和的輸出電流密度值等于微通道板在工作電壓下形成的傳導電流密度512.3.5微光通道板(通道電子倍增器)②電流傳遞特性2通道壁的充電效應(yīng)但微通道板處于脈沖工作狀態(tài)，由于通道壁的電子發(fā)射在脈沖工作瞬間不完全需要由傳導電流來補充損失的電子，在短瞬間可以輸出大于通道電阻效應(yīng)所限定的飽和電流密度。在此瞬間通道壁被充上正電荷，不能維持較長時間的電子發(fā)射。脈沖工作的飽和電流密度取決于充電效應(yīng)。極限工作狀態(tài)是通道輸出端充電