第五章+wyzh真空光電器件

第五章真空光電器件5.1光電陰極5.2光電管與光電倍增管5.3光電倍增管的主要特性參數(shù)5.4光電倍增管的供電和信號輸出電路5.6光電倍增管的應(yīng)用5.6光電倍增管的應(yīng)用探測器件熱電探測元件光電探測元件氣體光電探測元件外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型放大型光電導(dǎo)探測器光磁電效應(yīng)探測器光生伏特探測器本征型摻雜型非放大放大型真空光電管充氣光電管光電倍增管變像管攝像管像增強(qiáng)器光敏電阻紅外探測器光電池光電二極管光電三極管光電場效應(yīng)管雪崩型光電二極管表1：探測器件分類光導(dǎo)管或光敏電阻光電池光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢壘光電二極管光電磁探測器光子牽引探測器光電導(dǎo)(本征和非本征)光生伏特

PN結(jié)和PIN結(jié)(零偏)PN結(jié)和PIN結(jié)(反偏)

雪崩肖特基勢壘異質(zhì)結(jié)3.光電磁光子牽引內(nèi)光電效應(yīng)光電管充氣光電管光電倍增管象增強(qiáng)管1.光陰極發(fā)射光電子正電子親和勢光陰極負(fù)電子親和勢光陰極2.光電子倍增氣體繁流倍增打拿極倍增通道電子倍增外光電效應(yīng)相應(yīng)的探測器效應(yīng)表2光子效應(yīng)分類第五章真空光電器件5.1光電陰極工作基礎(chǔ)：基于外光電效應(yīng)的光電探測器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：有一個真空管，其它元件都放在真空管中分類：光電管和光電倍增管入射光輻射的光子能量足夠大時，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，---光電發(fā)射效應(yīng)。在空間電場的作用下就會形成電流光電發(fā)射體-----能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體光電陰極----應(yīng)用中光電發(fā)射體常和電源的陰極相連，又稱為光電陰極光電發(fā)射效應(yīng)----光電陰極是完成光電轉(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?。。」狻饷舨牧习l(fā)射電子→電流為什么金屬不作為光電發(fā)射材而采用半導(dǎo)體作為光電發(fā)射材料？知識回顧提問：什么是半導(dǎo)體光電效應(yīng)？半導(dǎo)體材料吸收光子能量，輸出電信號的現(xiàn)象。提問：半導(dǎo)體光電效應(yīng)的分類？光電效應(yīng)外光電（光電發(fā)射）效應(yīng)發(fā)射體外自由電子，增加光電流內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)增加體內(nèi)自由電子，增大電導(dǎo)率光生伏特效應(yīng)增加結(jié)內(nèi)自由電子濃度，產(chǎn)生光生電壓光電發(fā)射器件光電導(dǎo)器件光生伏特器件半導(dǎo)體發(fā)射閾值:對于金屬情況，金屬內(nèi)光電子發(fā)射來源于費(fèi)米能級EF附近。光電發(fā)射閾值定義為電子真空能級E0與EF之差，即：金屬逸出功:

對半導(dǎo)體材料，體內(nèi)光電子發(fā)射來源于價帶EV附近，因此表面處的光電發(fā)射閾值Eφ為：電子親和勢：真空能級與導(dǎo)帶底之差1光電子發(fā)射過程：包括以下幾個階段：（1）光電發(fā)射體中的電子吸收入射光光子能量后其能量增大；（2）受激電子（得到光子能量的電子）從發(fā)射體內(nèi)向真空界面運(yùn)動；（3）電子越過發(fā)射體表面勢壘向真空（或其它介質(zhì)）中逸出。但是電子從吸收光子能量到逸出發(fā)射體表面的時間是很短的，這個時間約為10-12s。半導(dǎo)體的光電逸出功由兩部分組成：一部分是電子從發(fā)射中心激發(fā)到導(dǎo)帶所需的最低能量；另一部分是電子從導(dǎo)帶底逸出所需的最低能量（即電子親和勢）。由于電子逸出功不管從哪里算起，其中都包含有親和勢（真空能級與導(dǎo)帶底之差），因此為了表示光電發(fā)射的難易，使用親和勢的概念比使用逸出功的概念更有實(shí)際意義。所以，對于半導(dǎo)體一般不用逸出功的概念，而用電子親和勢的概念。為了表示光電發(fā)射的能量閾值，許多資料都是按真空能級與價帶頂之差（親和勢加上禁帶寬度）來計算。我們通常所說的電子親合勢就是指的EAe，半導(dǎo)體材料的光電發(fā)射閾值變?yōu)椋?/p>

實(shí)際的半導(dǎo)體能級，在半導(dǎo)體表面附近要發(fā)生彎曲，這時EA定義為E0與表面處導(dǎo)帶底EC之差。

考慮到導(dǎo)帶在表面處的彎曲量用ΔE表示，于是體內(nèi)光電子的有效電子親合勢變?yōu)椋河捎讦的量值可以人為控制，EAe值可以人為地加以改變。如果EAe>0，就稱為正電子親和勢光陰極，亦稱經(jīng)典光陰極，目前廣泛用的光陰極就屬此類。Eg正電子親和勢EAeECEFEvE0EthΔEEA如果EAe<0，即真空能級降至導(dǎo)帶之下，就出現(xiàn)一種非常有利的光電子發(fā)射條件，只要激發(fā)導(dǎo)帶中的光電子，因?yàn)闆]有表面勢壘的阻擋，所以都能有效地逸出表面。這就是NEA光陰極的基本原理。EFEECVjEE0e負(fù)電子親和勢EAeEAEtheECEVEAeEDEAEthE0EEF（a）正電子親和勢正電子親和勢：表面真空能級位于導(dǎo)帶底之上負(fù)電子親和勢：表面特殊處理后表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級降至導(dǎo)帶底之下，有效電子親和勢為負(fù)值。半導(dǎo)體材料光陰極分為正電子親和勢(PEA，亦稱經(jīng)典光陰極)和負(fù)電子親和勢(NEA陰極)兩種類型。NEA光陰極是當(dāng)前性能最好的光陰極。EFEECVEAEthE0e（b）負(fù)電子親和勢①表面逸出功高。金屬：②表面反射強(qiáng)，對光輻射的吸收率低。③內(nèi)部存在大量電子，相互碰撞損失能量大。

①對入射光反射系數(shù)小，吸收系數(shù)大，在長波限就有電子發(fā)射。ａ：趨向表面運(yùn)動的過程中 ②陰極層導(dǎo)電性適中：損失能量比金屬?。话雽?dǎo)體ｂ：傳導(dǎo)電子的補(bǔ)充不發(fā)生困難。③半導(dǎo)體中存在著大量的發(fā)射中心（價帶中有大的電子密度）。④小的光電逸出功，較高的量子效率。半導(dǎo)體材料與金屬相比，對光輻射的吸收率大，內(nèi)部能量散射損失小，表面勢壘又可以人為控制，因而采用半導(dǎo)體材料作光陰極獲得了廣泛應(yīng)用。這就是金屬不作為光電發(fā)射材而采用半導(dǎo)體作為光電發(fā)射材料原因：∵紫外光能量大，∴只能做紫外探測器∴可用到近紅外區(qū)1.光陰極表面對光輻射的反射小而吸收大，以便體內(nèi)有較多的電子受到激發(fā)；

2良好的光陰極材料的標(biāo)準(zhǔn)：2.受激電子最好是發(fā)生在表面附近，這樣向表面運(yùn)動過程中損失的能量少；3.材料的逸出功要?。ü怅帢O表面勢壘低），使到達(dá)真空界面的電子能夠比較容易地逸出；4.材料還要有一定的電導(dǎo)率，以便能夠通過外電源來補(bǔ)充因光電發(fā)射所失去的電子。光照靈敏度：（白光、積分靈敏度）光電陰極光電流與入射的白光（色溫2856K的鎢絲燈）光通量之比。單位為μA/lm。色光靈敏度：（藍(lán)光、紅光、紅外靈敏度籃白比、紅白比、紅外白比）局部光譜區(qū)域的積分靈敏度，即插入特定波長區(qū)的濾光片后陰極光電流與未插入濾光片時陰極所受光通量(白光光通量)之比。在單色（單一波長）輻射作用于光電陰極時，光電陰極輸出電流與入射的一定波長的單色輻射通量之比。（1）靈敏度5.1.1光電陰極的主要參數(shù)光譜靈敏度：2.量子效率（或稱量子產(chǎn)額）。入射的光子數(shù)與產(chǎn)生的電子數(shù)之比量子效率與光譜靈敏度之間的關(guān)系3.光譜響應(yīng)曲線光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射光波長的關(guān)系曲線4.熱電子發(fā)射(暗電流)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)射一般光電發(fā)射陰極的暗電流極低，室溫下典型陰極每秒每平方米發(fā)射的熱電子可形成10-16~10-17A/m2的電流對于光電測量而言是噪聲注意：真空光電器件中的光波靈敏度極限主要由光電陰極材料的長波限決定。實(shí)際上由陰極材料本身的能級和電子親和勢決定。作用：引起熱噪聲，限制探測器的靈敏度極限。5.1.2光電陰極的分類透射型：光通過透明介質(zhì)射向光電陰極，而電子從光電陰極的另一面發(fā)射出去光電子反射型：光照射到陰極上，電子從同一測射出對陰極的厚度有要求,不能太厚光電子陰極一般較厚5.1.3常用的光電陰極材料1.銀氧銫(Ag-O-Cs)

材料1934年研制的第一支紅外變象管就采用這種陰極。具有良好的可見和近紅外響應(yīng),目前，除了Ⅲ-Ⅴ族材料的光電陰極外，它仍然是在近紅外區(qū)具有使用價值的惟一陰極。長波限可達(dá)1.2um但是——量子效率極低，暗電流大；h=0.1%h=1%1010.20.81.01.2lmmη=1%η=0.1%S(l)(mA/W)0.40.6銀氧銫光電陰極光譜響應(yīng)曲線Ag2O中間層Ag基底Cs2O內(nèi)吸附Cs原子Cs原子結(jié)構(gòu)銀氧銫陰極是以Ag為基底，氧化銀為中間層，上面再有一層帶有過剩Cs原子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子組成，可用［Ag］-Cs2OAgCs-Cs的符號表示，有一些光電器件也有不用氧化而用硫化，或以堿金屬代替銫原子，其目的都是希望得到高的響應(yīng)度及合適的光譜響應(yīng)范圍。a靈敏度較低。光照靈敏度約為30μA/1m，輻照靈敏度為3mA/W，量子效率在峰值波長處也只有1%;將近紅外區(qū)具有高靈敏度的Ag-O-Cs陰極和藍(lán)光區(qū)具有高靈敏度的Bi-Cs-O陰極相結(jié)合，可獲得在整個可見光譜范圍內(nèi)具有較均勻響應(yīng)和高靈敏度的Bi-Ag-O-Cs光電陰極。h=0.1%h=1%1010.20.81.01.2lmmη=1%η=0.1%S(l)(mA/W)0.40.6銀氧銫光電陰極光譜響應(yīng)曲線長波限：長波靈敏度延伸至紅外1.2μm；兩個峰值350nm;800nm。是最早出現(xiàn)的近紅外靈敏器，具有重要的軍事應(yīng)用價值。缺點(diǎn)：b.熱噪聲大：熱電子發(fā)射密度：10-11~10-14A/cm2。（室溫）其值超過任何其它光電陰極。c.長期受光照會產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞現(xiàn)象，疲勞后光譜響應(yīng)會發(fā)生變化。光譜特性：見圖2.單堿銻化物組成：堿金屬與銻（Sb）、鉛（Pb）、鉍（Bi）、鉈（Tl）等生成的金屬化合物,具有極其寶貴的光電發(fā)射性能，常用的銻銫CsSb陰極性能：

(1)量子效率高:在藍(lán)光區(qū)峰值量子效率可達(dá)30%，比Ag-O-Cs高30倍。在可見區(qū)，積分響應(yīng)度達(dá)70-150uA/lm;(2)長波限為0.7um左右，可延伸；對紅光、紅外不靈敏。(3)_熱噪聲：熱電子發(fā)射密度10-16A/cm2優(yōu)于Ag-O-Cs

(4)制作工藝簡單，廣泛用于紫外和可見光區(qū)的光電探測器中。單堿銻化物陰極的特點(diǎn)它在可見光的短波區(qū)和近紫外區(qū)(0.3~0.45μm)響應(yīng)率最高，其量子效率可達(dá)25％，長波限在0.65μm附近；它的典型光照靈敏度達(dá)60μA/lm，比銀氧銫陰極高得多。CsSb陰極的熱電子發(fā)射(約10-16A/cm2)和疲勞特性均優(yōu)于銀氧銫陰極，而且制造工藝簡單，目前使用比較普遍。3.多堿銻化物——當(dāng)銻和幾種堿金屬形成化合物時，具有較高的響應(yīng)度（其中堿分為：雙堿、三堿、四堿等，統(tǒng)稱多堿）銻鉀鈉（

NaKSb）——響應(yīng)度50－100uA/lm,在0.4um處，量子效率為25%,其典型光照靈敏度可達(dá)50μA/lm。耐高溫（175℃左右）而一般含銫陰極的工作溫度不能超過60℃，因此銻鉀鈉陰極可用于石油勘探等特殊場合。銻鉀鈉銫（

NaKSbCs）——峰值響應(yīng)波長0.42um，響應(yīng)度150uA/lm，長波限為0.85um。在較寬的光譜區(qū)具有較高的量子效率。具有高穩(wěn)定性、疲勞效應(yīng)小，運(yùn)用廣泛。近幾年，經(jīng)過特殊處理的NaKSbCs陰極，其光譜響應(yīng)的長波限可擴(kuò)展到930nm，峰值波長也從0.42nm延伸至0.6nm，光照靈敏度提高到400μA/lm。4.負(fù)電子親合勢光電陰極半導(dǎo)體光電陰極的光電子的逸出過程，價帶導(dǎo)帶E0ECEVEgE0（電子親合勢）前面討論的常規(guī)光電陰極都屬于正電子親和勢(PEA)類型，表面的真空能級位于導(dǎo)帶之上。

但如果給半導(dǎo)體的表面作特殊處理．使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級降到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢為負(fù)值，經(jīng)這種特殊處理的陰極稱作負(fù)電子親和勢光電陰極(NEA)。Si-Cs2O是在p型Si的基質(zhì)材料上涂一層極薄的金屬Cs，經(jīng)特殊處理而形成n型Cs2O。表面為n型的材料有豐富的自由電子，p型基底材料有豐富的空穴，相互擴(kuò)散形成表面電荷局部耗盡。與p-n結(jié)情況類似，耗盡區(qū)的電位下降Ed，造成能帶彎曲，如圖所示。EAeEA2EdEv2Ev1EFEc1Ec2E0EF﹢﹢﹢﹢﹢﹣﹣﹣﹣﹣表面耗盡區(qū)Ev1EFEC1E0Eg1EA1EV2EFEC2EA2Cs2OSi本來p型Si的發(fā)射閾值是EA1

，電子受光激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶后需克服親和勢Ed1=EA1+Eg1才能逸出表面。對于p型Si的光電子需克服的有效親和勢為：由于能級彎曲，，這樣就形成了負(fù)電子親和勢。PN費(fèi)米能級和電子占據(jù)率關(guān)于電子占據(jù)能級的規(guī)律，根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，半導(dǎo)體中電子能級的分布服從費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計分布規(guī)律。在熱平衡條件下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為k是玻爾茲曼常數(shù)，即1.38×10-23J/K；T為絕對溫度；EF為費(fèi)米能級。T=0KT>0K=1(E<Ef)=0(E>Ef)=0.5(E=Ef)>0.5(E<Ef)<0.5(E>Ef)Ef的意義是電子占據(jù)率為0.5時所對應(yīng)的能級

例如本證半導(dǎo)體絕對零度時，由于沒有任何熱激發(fā)，電子全部位于價帶(Ev<Ef)。即能量為Ev的能級被電子占據(jù)的概率為100％Ef：標(biāo)尺，可用以定性描述半導(dǎo)體中載流子的分布電子占據(jù)概率：

空穴占據(jù)概率：

表明np與費(fèi)米能級無關(guān)；Eg（禁帶寬度）越小，np

越大，導(dǎo)電性越好；半導(dǎo)體的載流子濃度隨溫度增加而增加。則熱平衡時電子和空穴的濃度：

為價帶有效能級密度為導(dǎo)帶有效能級密度結(jié)論1結(jié)論2隨E的增加，f（E）迅速減小。意味著：導(dǎo)帶中的電子絕大多數(shù)能量是在導(dǎo)帶底附近；同樣價帶中空穴絕大多數(shù)能量在價帶頂。EcEvEdEfnn

半導(dǎo)體EcEvEfiEi本征型半導(dǎo)體EcEvEaEfpp

半導(dǎo)體熱平衡態(tài)下費(fèi)米能級分布：結(jié)論3摻雜濃度越高，費(fèi)米能級離禁帶中央越遠(yuǎn)禁帶中央靠近導(dǎo)帶底靠近價帶頂PN結(jié)能帶與勢壘：P型、N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級受各自摻雜的影響，在能帶圖中的高低位置不一致，如圖1—19(a)所示。當(dāng)P型、N型半導(dǎo)體結(jié)合成為PN結(jié)時，按費(fèi)米能級的意義，電子將從費(fèi)米能級高的N區(qū)流向費(fèi)米能級低的P區(qū)，空穴則從P區(qū)流向N區(qū)，因而Efn不斷下移，且Efp不斷上移，直至Efn

=Efp為止。這時PN結(jié)中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級Ef，PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，但處于PN結(jié)區(qū)外的P區(qū)和N區(qū)中的費(fèi)米能級相對于價帶和導(dǎo)帶的位置要保持不變，這就導(dǎo)致pN結(jié)能帶發(fā)生彎曲如圖1-19(b)所示。能帶彎曲實(shí)際上是PN結(jié)區(qū)內(nèi)建電場作用的結(jié)果，也就是說，電子從N區(qū)到P區(qū)要克服電場力做功，越過一個“能量高坡”，這個勢能“高坡”eUD(UD為接觸電勢差)通常稱為PN結(jié)勢壘，其大小等于P區(qū)導(dǎo)帶底能級與N區(qū)導(dǎo)帶底能級之差，即eU=Ecp-Ecn(1)量子效率高負(fù)電子親和勢陰極因其表面無表面勢壘，所以受激電子躍遷到導(dǎo)帶并遷移到表面后，無需克服表面勢壘就可以較容易地逸出表面.負(fù)電子親和勢光電陰極與前述的正電子親和勢光電陰極相比，具有以下特點(diǎn)：(2)光譜響應(yīng)延伸到紅外、光譜響應(yīng)率均勻正電子親和勢光電陰極的閾值波長為：負(fù)電子親和勢光電陰極的閾值波長為：例如：GaAs光電陰極，Eg為1.4eV，閾值波長約為890nm。對于禁帶寬度比GaAs更小的多元Ⅲ－Ⅴ族化合物來說，響應(yīng)波長還可向更遠(yuǎn)的紅外延伸。(3)熱電子發(fā)射小與光譜響應(yīng)范圍類似的正電子親和勢的光電發(fā)射材料相比，負(fù)電子親和勢材料的禁帶寬度一般比較寬，所以在沒有強(qiáng)電場作用的情況下，熱電子發(fā)射較小，一般只有10-16A/cm2。(4)光電子的能量集中基本等于導(dǎo)帶底的能量，可提高光電成像器件的空間分辨率和時間分辨率。5.紫外光電陰極紫外輻射有較高的能量，探測其一般沒有困難，而關(guān)鍵在于采用什么合適的窗口材料，可使紫外輻射透過（而可見光無響應(yīng)）并且射向光電陰極。碲化銫（CsTe）和碘化銫（CsI）——對太陽和地表輻射不敏感，在紫外區(qū)響應(yīng)范圍為100－280nm,長波限在290－320nm。CsTe(長波限0.32μm）CsI（長波限0.2μm)目前比較常用的有(日盲型光電陰極)真空光電管由玻殼、光電陰極和陽極三部分組成。為了防止氧化，將管內(nèi)抽成真空。光電陰極即半導(dǎo)體光電發(fā)射材料，涂于玻殼內(nèi)壁，受光照時，可向外發(fā)射光電子。陽極是金屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極的對面，加正的高電壓，用來收集從陰極發(fā)射出來的電子。5.2光電管與光電倍增管5.2.1光電管phototube(PT)陰極K陽極AIФΦRLUoutUb真空光電管工作原理結(jié)構(gòu)真空光電管常用的電極結(jié)構(gòu)有：①中心陰極型②中心陽極型③半圓柱面陰極型④平行平板極型⑤帶圓筒平板陰極型真空光電管一般體積都比較大、工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎等。優(yōu)點(diǎn)：光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達(dá)20－200μA/lm；暗電流小，最低可達(dá)10-14A；光電發(fā)射弛豫過程極短。缺點(diǎn)：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。它不同于真空光電管的是，光電子在電場作用下向陽極運(yùn)動時與管中氣體原子碰撞而發(fā)生電離現(xiàn)象。由電離產(chǎn)生的電子和光電子一起都被陽極接收，正離子卻反向運(yùn)動被陰極接收。因此在陽極電路內(nèi)形成數(shù)倍于真空光電管的光電流。充氣光電管的電極結(jié)構(gòu)也不同于真空光電管。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(diǎn)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。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(diǎn)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：這種類型的管子常選氬氖混合氣體，其中氬占10％左右。由于氬原子的存在使處于亞穩(wěn)態(tài)的氖原子碰撞后即能恢復(fù)常態(tài)，因此減少惰性。

真空光電管充氣光電管優(yōu)點(diǎn)1.光電陰極面積大，暗電流??；光照靈敏度高2.馳豫過程小。缺點(diǎn)1.靈敏度低；1.穩(wěn)定性差；2.體積大；2.線性度差；3.玻璃體，易碎。4.和放大器配合使用受限3.噪聲大；4.響應(yīng)時間長真空、充氣光電管比較5.2.2光電倍增管photomultipliertube（PMT）光電倍增管比光電管增加的電子光學(xué)系統(tǒng)和電子倍增極，因此極大地提高了靈敏度光電倍增管利用外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)相結(jié)合，把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子獲得倍增的一種真空光電探測器件，極大地提高了檢測靈敏度。電子光學(xué)系統(tǒng)光電倍增管一、光電倍增管的結(jié)構(gòu)與原理——光窗（Inputwindow)——光電陰極(Photocathode)——電子光學(xué)系統(tǒng)——電子倍增系統(tǒng)(Dynodes)——陽極(Anode)1入射光窗—光窗分側(cè)窗式和端窗式兩種1光電倍增管的結(jié)構(gòu)由于光窗對光的吸收與波長有關(guān)，波長越短吸收越多，所以倍增管光譜特性的短波閾值取決于入射光窗材料。側(cè)窗端窗反射式光電陰極透射式光電陰極側(cè)窗式端窗式對結(jié)構(gòu)的要求：1）.使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會聚到D1→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(xué)系統(tǒng)中有盡可能相等的渡越時間→增加快速響應(yīng)性。1）是入射光的通道。2）決定倍增管光譜特性的短波閾值

a作用：b常用的光窗材料：有鈉鈣玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟鎂玻璃等。PMT光譜特性的長波閾值由什么因素決定?窗口材料特性對比硼硅玻璃1.透射光光譜從300nm到紅外，不適合紫外輻射窗口2.應(yīng)用于閃爍計數(shù)透紫外玻璃優(yōu)點(diǎn)是透紫外性能好，紫外短波透射截止波長可延伸到185nm，但化學(xué)穩(wěn)定性差熔融石英（熔融二氧化硅）的優(yōu)點(diǎn)是在遠(yuǎn)紫外區(qū)有相當(dāng)好的透過率，短波截止波長可達(dá)到160nm，但熱膨脹系數(shù)相差大，不適用于作芯柱材料，只用于管子的頭藍(lán)寶石是一種Al2O3晶體，它的特點(diǎn)是紫外透過率處于熔融石英和透紫外玻璃之間，但紫外截止波長比石英玻璃還要短，可以達(dá)到150nm。MgF2短波透射波長可到115nm光電倍增管的光譜特性由窗口材料和光電陰極決定2光電陰極—光電陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面,接收入射光,向外發(fā)射光電子。決定倍增管光譜特性的長波閾值作用：決定光電轉(zhuǎn)換能力決定整管靈敏度3電子光學(xué)系統(tǒng)——指光電陰極至第一倍增極之間的區(qū)域。其中包括光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。結(jié)構(gòu)：主要由聚焦電極和偏轉(zhuǎn)電極組成。－－通過電場加速和控制電子運(yùn)動路線作用：使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部匯聚到第一倍增極，將其他部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比，用電子收集率表示；使陰極面上各處發(fā)射的光電子在此系統(tǒng)中渡越的時間盡可能相等，保證PMT的快速響應(yīng)。37對電子光學(xué)系統(tǒng)的要求使前一級發(fā)射出來的電子盡可能沒有散失地落到下一個倍增極上，也就是使下一級的收集率接近于1；使前一級各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級上所經(jīng)歷的時間盡可能相同，即渡越時間離散最小。倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關(guān)鍵的部分。(1)二次電子發(fā)射原理二次電子發(fā)射過程三個階段①材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài)(內(nèi)二次電子)；②內(nèi)二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運(yùn)動；③到達(dá)界面的內(nèi)二次電子中能量大于表面勢壘的電子發(fā)射到真空中，成為二次電子。4、電子倍增極作用：倍增

10-15級倍增極二次電子倍增材料一次電子二次電子二次電子發(fā)射是電子轟擊材料，使新的電子逸出。光電發(fā)射是光轟擊材料使電子逸出當(dāng)有足夠動能的電子轟擊某種材料時,材料表面發(fā)射新的電子的現(xiàn)象。稱入射電子為一次電子,從材料表面發(fā)射的電子為二次電子。用該材料的二次發(fā)射系數(shù)表征材料發(fā)射電子的能力：要求：二次電子發(fā)射系數(shù)要大

二次電子發(fā)射系數(shù)：二次發(fā)射系數(shù)與一次電子能量關(guān)系增大Ep，σ值反而下降不同材料σ

max

金屬：0.5～1.8半導(dǎo)體和介質(zhì)：5～6負(fù)電子親和勢材料：500~σ隨Ep增大而增大Epmax約為100～1800eV制作二次電子發(fā)射材料的要求：(1)發(fā)射系數(shù)穩(wěn)定，低工作電壓下具有較大的二次電子發(fā)射系數(shù)；(2)熱發(fā)射要?。ㄒ鹪肼暎?；(3)容易制成各種形狀；2）倍增極材料①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；②氧化物型，氧化鎂、氧化鋇；③合金型，銀鎂、鋁鎂、銅鎂、銅鈹④負(fù)電子親合勢材料，如銫激活的磷化鎵其原因是：當(dāng)一次電子能量過大時，電子穿透材料的有效深度增加，盡管激發(fā)的二次電子數(shù)有所增加，但許多深層的二次電子逸出過程中，由于碰撞散射而損失能量，結(jié)果不能逸出反而使減小σσmσa)百葉窗式

b)盒柵式

c)直瓦片式

d)圓瓦片式各種倍增極的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)電子的軌跡，倍增極可分為：

非聚焦型——只加速(倍增極形成的電場只能使電子加速，而電子軌跡都是平行的)如：盒柵式、百葉窗式聚焦型——加速、聚焦（電子從前一倍增極飛向后一倍增極時，在兩個倍增極之間可能發(fā)生電子束交叉的結(jié)構(gòu)）

如：圓瓦片式（鼠籠式）、直線聚焦式

此外，還有微通道板式結(jié)構(gòu)(a)(b)(c)端窗，半透明材料光電陰極，靈敏度，均勻度比側(cè)窗好，為使陰極面靈敏度均勻，受光均勻，半球狀陰極面，時間差小。45度傾角同位葉片，葉片前加?xùn)啪W(wǎng)，加強(qiáng)對入射電子的吸引力，防止二次電子逃逸。面積可以做的很大。收集率低，渡越時間的離散性大，時間響應(yīng)慢。這種結(jié)構(gòu)多用于不太要求時間響應(yīng)的場合。

?圓柱面，兩端加蓋，倍增極前有柵網(wǎng)，加強(qiáng)對入射電子的吸引力，防止二次電子逃逸。收集率95%，均勻性，穩(wěn)定性好，極間電子渡越時間離散性大，響應(yīng)慢。因其相對簡單和一致的倍增極結(jié)構(gòu)而被廣泛地應(yīng)用于端窗型光電倍增管。形似半圓柱狀瓦片，極間電子渡越時間離散性小，響應(yīng)快，線性好。廣泛地應(yīng)用于要求時間分辨和線性脈沖研究用的端窗型光電倍增管中。聚焦式結(jié)構(gòu)，瓦片形，電子渡越時間離散性小，電子收集率高，接近1。結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)快。主要應(yīng)用于側(cè)窗型光電倍增管。各種倍增極的結(jié)構(gòu)形式a)百葉窗式

b)盒柵式

c)直線聚焦式

d)鼠籠式倍增極結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)聚焦型直瓦片式極間電子渡越時間零散小，但絕緣支架可能積累電荷而影響電子光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性圓瓦片式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，但靈敏度的均勻性差些。非聚焦型百葉窗式工作面積大，與大面積光電陰極配合可制成探測弱光的倍增管，但極間電壓高時，有的電子可能越級穿過，收集率較低，渡越時間零散較大。盒柵式收集率較高（可達(dá)95%），結(jié)構(gòu)緊湊，但極間電子渡越時間零散較大。5.陽極(Anode)作用：－－收集最末一級倍增極發(fā)射出來的二次電子，向外電路輸出電流。結(jié)構(gòu)要求①接收性能良好，盡可能多的收集電子，工作在較大電流時，不至于產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。②輸出電容要小.陽極廣泛采用柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。陽極因空間電荷效應(yīng)而影響接收電子——靠近A，空間的電子濃度很大，對于D10后來沒射出來的的電子有排斥作用。

陰極KA陽極μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5①光子透過入射窗口入射在光電陰極K上；②光電陰極受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子；③光電子被電子光學(xué)系統(tǒng)加速和聚焦后入射到第一倍增極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。入射電子經(jīng)N級倍增極倍增后，光電子數(shù)就放大N次。④經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極P收集起來，形成陽極光電流Ip（隨光信號而變化）．在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號電壓V0。為了使光電子能有效地被各倍增極電極收集并倍增，陰極與第一倍增極、各倍增極之間以及末級倍增極與陽極之間都必須施加一定的電壓。最普通的形式是在陰極和陽極之間加上適當(dāng)?shù)母邏?，陰極接負(fù)，陽極接正，外部并接一系列電阻，使各電極之間獲得一定的分壓，如上圖所示。1光電倍增管工作原理5.3光電倍增管的主要特性參數(shù)1.靈敏度1）光譜響應(yīng)陰極光譜靈敏度窗口材料光電陰極材料陽極光譜靈敏度光電倍增管放大系數(shù)倍增管靈敏度有陰極靈敏度與陽極靈敏度之分。每一種靈敏度對于入射光，又都有光譜靈敏度（對于單色光）與積分靈敏度（對于多色光或全色光）之分。積分靈敏度與測試光源的色溫有關(guān)，一般用色溫為2856K的白熾鎢絲燈。2）陰極靈敏度陰極靈敏度：陰極輸出電流與入射光通量之比IKIK陰極KA陽極μAD2D3D1D4D5白光靈敏度單色靈敏度，或光譜靈敏度測試陰極靈敏度時，以陰極為一極，其它倍增極和陽極連在一起為一極，即無倍增時的光電流與入射輻射通量之比值。－100V～－300V照射到光電陰極上的光通量約為10-5～10-2lm3）陽極靈敏度陽極靈敏度：光電倍增管正常工作下的總輸出電流與入射輻射通量之比值。IP白光靈敏度藍(lán)光靈敏度、紅光靈敏度各種單色靈敏度陰極KA陽極μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5陽極靈敏度測試各倍增極和陽極都加上適當(dāng)電壓；因?yàn)殛枠O靈敏度是整管參量，與整管所加電壓有關(guān)，所以必須注明整管所加電壓。2.放大倍數(shù)（增益）M設(shè)第一，第二、第三、…第N極的倍增系數(shù)分別為：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)系為設(shè)各倍增系數(shù)都為則：理論和實(shí)驗(yàn)表明，倍增極的二次發(fā)射系數(shù)σ值主要取決于倍增極材料和極間電壓，C是常數(shù)k一般為0.7~0.8，與倍增極的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)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)σ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M與電子發(fā)射系數(shù)σ的關(guān)系為當(dāng)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ε1，且每個倍增極都存在收集系數(shù)，因此，增益M應(yīng)修正為（1）電流增益的穩(wěn)定性：可見，電流增益M和陽極輸出電流隨所加電壓的kn次方指數(shù)變化。因此，在使用光電倍增管時，為了使輸出電流穩(wěn)定，級問電壓Ud應(yīng)保持穩(wěn)定。可作如下計算：一般情況下，n=9～12，因此電源電壓的穩(wěn)定度要優(yōu)于測量精度一個數(shù)量級。例如，測量精度為1％，所加電源電壓的穩(wěn)定度應(yīng)為0.1％。可見，材料一定，總電流增益與極間電壓的關(guān)系十分密切，工作電壓微小變化將使M值有明顯的波動，這將使光電倍增管的工作不穩(wěn)定。倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)σ可用經(jīng)驗(yàn)公式計算，對于銻化銫（Cs3Sb）倍增極材料有經(jīng)驗(yàn)公式對于氧化的銀鎂合金（AgMgO[Cs]）材料有經(jīng)驗(yàn)公式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。（2）從上述討論可知，n和σ愈大，M值就愈高。但過多的倍增級數(shù)將使光電倍增管的管長加長，體積加大，同時還將使電子渡越效應(yīng)變得嚴(yán)重，影響光電倍增管的頻率特性和噪聲性能。綜合上述諸因素，一般選用較大的σ值和較少的級數(shù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著工作電壓增大，σ趨于一最大飽和值，過此值后．電壓V再增大時σ反而變小。通常σ值為3--6，n取9--14級，M為105--107。負(fù)電子親合勢打拿極σ的值可高達(dá)20--25，這可使級數(shù)n大為減少．又可得到良好的頻率特性。在各電極都加上正常工作電壓并且陰極無光照情況下陽極的輸出電流,記為ID。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~nA，是所有光電探測器件中暗電流最低的器件。說明：暗電流的存在決定了光電倍增管可測量光信號的最小值。一只好的光電倍增管，要求其暗電流小并且穩(wěn)定產(chǎn)生暗電流的因素：3.暗電流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，對噪聲的貢獻(xiàn)小。在低電壓工作時，歐姆漏電成為暗電流的主要部分。

2、熱發(fā)射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。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。措施：盡量保持各電極之間的清潔、干燥陽極輸出電流：暗電流和信號電流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(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。5、玻璃殼放電和玻璃熒光當(dāng)光電倍增管負(fù)高壓使用時，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場很強(qiáng)，尤其是金屬屏蔽層與處于負(fù)高壓的陰極電場最強(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，放電和熒光都要引起暗電流，而且還將嚴(yán)重破壞信號。因此，在陰極為負(fù)高壓應(yīng)用時屏蔽殼與玻璃管壁之間的距離至少為10~20mm。3、殘余氣體放電選擇合適的極間電壓光電倍增管中高速運(yùn)動的電子會使管中的殘余氣體（由于抽真空技術(shù)限制）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)在工作電壓高時特別嚴(yán)重，使倍增管工作不穩(wěn)定。暗電流的產(chǎn)生與電源電壓有密切關(guān)系，如下圖所示在低電壓時，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(dǎo)致場致發(fā)射和殘余氣體離子發(fā)射，使暗電流急劇增加，甚至可能發(fā)生自持放電。實(shí)際使用中，為了得到比較高的信噪比S/N，所加的電源電壓必須適當(dāng)，。一般工作在右圖的b段⑵減小暗電流的方法：①選擇合適的極間電壓；②在陽極回路中加上與暗電流相反的直流成分來補(bǔ)償；③在倍增輸出電路中加以選頻或鎖相放大濾掉暗電流；④利用冷卻法減小熱電子發(fā)射采用⑤合適的屏蔽，以減小自然界中的輻射線照射，如果專門屏蔽管子的光陰極與第一倍增極的區(qū)間，外界輻射的干擾也會有較大的減小。在一些弱光直流測量中，信號電流小到與暗電流可以比擬的程度，這時在陽極輸出電路中，可采用暗電流補(bǔ)償?shù)姆椒?。圖(a)是一種最簡單的補(bǔ)償電路。在檢流計上并聯(lián)可變電阻且與電池串聯(lián)的支路，調(diào)節(jié)可變電阻，產(chǎn)生一個反方向的電流。正好抵消暗電流，即所謂調(diào)零。經(jīng)補(bǔ)償之后，測出的就是信號電流。由于暗電流經(jīng)常變化，所以使用時要隨時調(diào)零。選頻和鎖相放大將入射光調(diào)制成一定頻率的周期信號，而在光電倍增管的信號輸出電路中加一選頻放大器，以濾掉暗電流的直流分量。但由于選頻放大器的中心頻率不易做得很穩(wěn)定，并有一定的通頻帶，因此抑制暗電流的交流成分有一定的限度。如果用鎖相環(huán)放大代替選頻放大，那么輸出信號的信噪比會有很大的提高4.噪聲器件本身的散粒噪聲：對于一些不連續(xù)的量,如電子發(fā)射,光子發(fā)射,電子流等,其發(fā)射率在平均值附近上下起伏,而產(chǎn)生噪聲一般采用冷卻的方法來抑制，但有幾點(diǎn)要注意………….①光電陰極的光譜響應(yīng)曲線會隨溫度而變化，光電儀器定標(biāo)時的工作溫度必須和測量溫度相同②光電陰極（如CsSb)的電阻會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，從而影響第一倍增極的光電子收集效率③冷卻時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④致冷溫度不能過低，否則可能會引起陰極和倍增極材料的損壞，或者是玻殼封結(jié)處裂開器件本身的熱噪聲負(fù)載電阻的熱噪聲光電陰極和倍增極的閃爍噪聲(1/f噪聲)光電倍增管的噪聲主要由散粒噪聲和負(fù)載電阻的熱噪聲組成。負(fù)載電阻的熱噪聲為

（5-14）

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(yīng)所引起的。陰極散粒噪聲電流為

（5-15）

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

（5-16）

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?。r，則倍增管末倍增極輸出的散粒噪聲電流為

（5-19）

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

（5-20）

總噪聲電流為

（5-21）

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

＜＜（5-21）

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(fù)載電阻Ra滿足

（5-23）

當(dāng)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(yīng)。

5.伏安特性2）陽極伏安特性曲線相應(yīng)于不同輻射通量值的陽極伏安特性示于圖中，它表示陽極電流IP

對于最后一級倍增極和陽極間的電壓U的關(guān)系。作此曲線時，其余各電極的電壓保持恒定。1）陰極伏安特性曲線Ф2Ф3Ф51015IK(nA)UK(V)50100它表示陰極電流IK

與陰極與第一倍增極之間電壓的關(guān)系。在電路設(shè)計時，一般使用陽極伏安特性曲線來進(jìn)行負(fù)載電阻、輸出電流、輸出電壓的計算當(dāng)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)。可以看作恒流源。倍增管的顯著特點(diǎn)是適于微弱光信號的探測。在使用時要切忌過度光照。由于光電子從陰極到陽極要渡越較長的距離，所以在使用時對光電倍增管進(jìn)行良好的電磁屏蔽也是十分重要的..輸出信號和等效電路⑴圖解法:圖3-16當(dāng)時，為線性應(yīng)用。對直流通路：對交流通路：⑵等效電路在一定的光照度范圍內(nèi)，光電倍增管的輸出與入射光功率保持正比例關(guān)系，但是隨著入射光強(qiáng)的增強(qiáng)，在最后幾級倍增極上出現(xiàn)較大的電流，倍增極的次級電子發(fā)射因大量發(fā)射電子而出現(xiàn)疲勞效應(yīng)，又由于較大的電流形成顯著的空間電荷而使電子的加速受阻，因此使增益降低。ФIP線性區(qū)飽合區(qū)6.線性⑴引起非線性的原因：---表征陽極電流與陰極光通量之間關(guān)系。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都可能破壞輸出信號的線性。⑵解決方法①極間電壓保持足夠高②陰極電阻：（一部分被照射，一部分沒有被照射）；③負(fù)載電阻：光電流→負(fù)載電阻壓降→陽極電壓↓用運(yùn)放作電流電壓轉(zhuǎn)換，減小有效負(fù)載電阻；④陽極或倍增輸出電流引起電阻鏈中電壓再分配：I↑→電阻壓降→陽極電壓↓→0解決辦法：電阻鏈中的電流至少應(yīng)大于1000倍的最大陽極電流。工作在飽合區(qū)時信號會失真。7.穩(wěn)定性光電倍增管的穩(wěn)定性是指在恒定光照情況下，陽極電流隨時間的變化。在閃爍計數(shù)和光度測量中十分重要。光電倍增管的穩(wěn)定性與工作電流、極間電壓、運(yùn)行時間、環(huán)境條件和光照情況等許多因素有關(guān)。⑴長期工作中靈敏度的慢漂移原因：最后n級倍增極在大量電子轟擊下受損，引起二次發(fā)射系數(shù)變化。⑵滯后效應(yīng)：在光電倍增管加上高壓或開始光照的短時間內(nèi)，陽極輸出的不穩(wěn)定。解決方法：①抗滯后設(shè)計；②老化（不可逆）：光電倍增管的殘余氣體與光電陰極作用，玻璃中的Na離子摻入光電陰極使靈敏度下降；新的光電倍增管自然老化一段時間后再使用，使用的陽極電流小一些，可以減緩老化過程。③疲勞：靈敏度降低后，在黑暗中放置幾個小時再使用可恢復(fù)原狀態(tài).9.時間特性光電倍增管的時間響應(yīng)主要是由從光陰極發(fā)射光電子、經(jīng)過倍增極放大到到達(dá)陽極的渡越時間，以及由每個光電子之間的渡越時間差決定的。光電倍增管的時間響應(yīng)通常用陽極輸出脈沖的上升、下降時間、電子的渡越時間及渡越時間離散來表示。⑴上升時間：10%→90%所用的時間。⑵渡越時間：光脈沖到達(dá)光電陰極和陽極輸出最大脈沖電流達(dá)到最大值的時間間隔定義為光電子的渡越時間。⑶渡越時間離散：函數(shù)光脈沖照到光電陰極的不同區(qū)域，發(fā)射的電子到達(dá)陽極的渡越時間的不一致性。10.磁場特性磁場會使本來由靜電場確定的電子軌跡產(chǎn)生偏移。這種現(xiàn)象在陰極到第一倍增極區(qū)域最為明顯，因?yàn)樵谶@一區(qū)域，電子路徑最大。在磁場的作用下電子運(yùn)動偏離正常軌跡，引起光電倍增管靈敏度下降，噪聲增加。目前由于分別采用了近貼柵網(wǎng)和微通道板代替普通的倍增極結(jié)構(gòu)，這些類型的光電倍增管抗磁場干擾能力得到很大的加強(qiáng)，故可在強(qiáng)磁場強(qiáng)度的環(huán)境中使用。降低方法：光電倍增管加屏蔽筒，筒長至少是光電倍增管的2倍。六、疲勞與衰老

這是由于過大的光電流使電極升溫而使光電發(fā)射材料蒸發(fā)過多所引起。在停歇一段時間后還可全部或部分得到恢復(fù)。光電倍增管由于疲勞效應(yīng)而靈敏度逐步下降，稱為老化，最后不能工作而損壞。過強(qiáng)的入射光會加速光電倍增管的老化損壞，因此，不能在工作狀態(tài)下（光電倍增管加上高壓時）打開光電直讀光譜儀的外罩，在日光照射下，光電倍增管很快便損壞。

因此，管子不使用時，應(yīng)存放在黑暗的環(huán)境中；使用時忌強(qiáng)光照射，一般要求陽極電流不得超過額定值100μA左右，相當(dāng)于陰極入射光通量為10-5lm，如光電陰極面積為5cm2，相當(dāng)于照度為2×10-2lx（相當(dāng)于上弦月夜空對地面的照度)。光電倍增管的靈敏度隨工作時問的延長而下降。若在弱光下工作，且陽極電流不超過額定值，則工作完后將管子保存在暗室中一段時間，其靈敏度能恢復(fù)到初始值，若管子長期連續(xù)工作或受強(qiáng)光照射，則靈敏度不可能再恢復(fù)，這種現(xiàn)象被稱為疲勞。七、光電倍增管優(yōu)缺點(diǎn)放大倍數(shù)很高，用于探測微弱信號；光電特性的線性關(guān)系好；工作頻率高；性能穩(wěn)定，使用方便；供電電壓高；玻璃外殼，抗震性差；價格昂貴，體積大；5.4光電倍增管的供電和信號輸出電路一高壓電源在0.01%~0.05%之間二高壓分壓電路光電倍增管工作時，需要在陰極和陽極之間加上500—1000V的高壓。該電壓將以適當(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，光電流通過倍增系統(tǒng)得到放大。實(shí)際應(yīng)用中各極間的電壓都是由連接于陽極與陰極之間的分壓電阻所提供的，這一電路被稱為高壓分壓電路。要求電源穩(wěn)定度比光電倍增管增益的穩(wěn)定度高約10倍目前，一種體積小巧的高壓電源模塊比較適合用于光電倍增管中輸入直流電壓一般為+15伏，輸出端可獲得上千伏的負(fù)高壓，電壓穩(wěn)定度為0.02%～0.05%。通過調(diào)節(jié)控制端兩端的電阻或電壓值，輸出的電壓可以從200伏至1200伏之間變化分壓電路的接地方式陰極KA陽極D2ED3D1D4D5R6R3R2R1R4R5IPA0-1）負(fù)高壓供電：多數(shù)情況下采用陽極接地、陰極接負(fù)高壓方式優(yōu)點(diǎn)：便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不僅可以通過一個低壓耦合電容與交流放大器相接，也可以直接與直流放大器相接。缺點(diǎn)：這時陰極要處于負(fù)高壓，接地的管子玻殼的金屬支架或磁屏蔽筒不能跟陰極靠得很近，至少要間隔1～2cm，整個倍增管裝置的體積也要大些，屏蔽困難；暗電流和噪聲大。它們與陰極和倍增極間的高電壓差（使某些光電子打到玻殼內(nèi)側(cè)產(chǎn)生玻璃閃爍現(xiàn)象）導(dǎo)致噪聲的顯著增加如果工作時對暗電流和噪聲要求不太苛刻，一般都采用陽極接地。陰極KA陽極D2UD3D1D4D5R6R3R2R1R4R5RLIPCs2）正高壓供電優(yōu)點(diǎn)：便于屏蔽，光、磁、電的屏蔽罩可以跟陰極靠得近些，屏蔽效果好；暗電流小，噪聲低。缺點(diǎn)：陽極要處于正高壓，會導(dǎo)致寄生電容大，匹配電纜連接復(fù)雜，特別是后面若接直流放大器，整個放大器都處于高電壓，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，則必須接一個耐壓很高的隔直電容器，而一般耐壓很高的電容器體積大而且價格高。

閃爍計數(shù)器中（由于與光電倍增管緊密接觸的閃爍體是接地的）必須采用陰極接地的方法，只適用于交流或脈沖信號測量系統(tǒng)。陰極KA陽極D2UD3D1D4D5R6R3R2R1R4R5UoutRaIP5.4.3分壓電流與輸出線性的關(guān)系分壓電流：流經(jīng)分壓電路的電流1.直流信號工作時的線性A段：當(dāng)入射光比較弱時，流經(jīng)各分壓電阻的電流差別不大，所以此時成線性（A段）B段：當(dāng)入射光再增強(qiáng)，前面幾級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（B段）C段：當(dāng)入射的光通量進(jìn)一步增加時，陽極電流接近于分壓器上的電流，陽極與最末級倍增極之間的電壓減小，陽極的電子收集率逐漸減小，最后陽極輸出電流飽和，如圖中曲線C段為了使光電倍增管工作穩(wěn)定且要保證陽極電流最大時，倍增極的極間電壓UD基本不變，這就要求流過電阻鏈的電流IR至少要比陽極最大的平均電流IAmax大10倍以上．當(dāng)光電倍增管工作時，其內(nèi)阻隨電流信號的增加而減小，特別是最后幾級變化較大，對分壓電阻鏈有分流作用。因此，當(dāng)電流信號增加時將導(dǎo)致流過分壓電阻的電流減小，引起極間電壓變小，造成放大倍數(shù)下降和光電特性線性變壞。為了盡量減小光電倍增管的內(nèi)阻變化對電阻鏈的分流作用，則要求分壓電阻取得適當(dāng)小，以保證流過電阻鏈的電流IR較最大陽極電流IP大得多，這樣可將分壓電阻鏈供電電路看做恒壓系統(tǒng)。如圖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。最常用的電阻鏈分壓型供電電路1．分壓電阻的確定工作電壓的確定要保證光電倍增管工作在伏安特性曲線的線性區(qū)內(nèi)。一般，總電壓在1000～1500V，各個倍增極的極間電壓U在80～lOOV。選定電流后，可以計算出電阻鏈分壓器的總阻值IR≥(10~20)Ia

R=Ubb/IR各分壓電阻Ri

為而R1應(yīng)為若電阻鏈為均勻分壓，則每個分壓電阻的阻值應(yīng)相等。因倍增管中的電流與電阻鏈中的電流是并聯(lián)關(guān)系，為了使光電倍增管工作穩(wěn)定且要保證陽極電流最大時，倍增極的極間電壓UD基本不變，這就要求流過電阻鏈的電流IR至少要比陽極最大的平均電流IAmax大10倍以上．即一般IR越大，對穩(wěn)定極間電壓越有利；但I(xiàn)R太大會增大電阻的功耗，加重電源的負(fù)擔(dān)。實(shí)際上，各個倍增極的極間電壓也可以不相等，這樣還有可能使某些性能得到提高。一般，R1應(yīng)較大，使得陰極至第一級倍增極之問的電壓UD1較高。這樣，第一級倍增極二次發(fā)射系數(shù)高，外界電磁場影響也較小，可大大提高信噪比。R9、R10，R10也應(yīng)適當(dāng)取得大一些，且不相等。這是由于最后幾級電流信號較大，為了避免出現(xiàn)當(dāng)電流信號很大時，往往由于在最后兩個打拿極之間形成負(fù)空問電荷效應(yīng)而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象引起失真，應(yīng)適當(dāng)加大后幾級的極間電壓。中間幾級的極間電壓可根據(jù)需要的增益來選擇，一般采用均勻分壓．2、電源電壓的穩(wěn)定度極間供電電壓UDD直接影響著二次電子發(fā)射系數(shù)σ，或管子的增益M。因此，根據(jù)增益M的要求可以設(shè)計出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。對式進(jìn)行微分，并用增量形式表示，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（Cs3Sb）對銀鎂合金由于光電倍增管的輸出信號Uo=MSkφvRL，因此，輸出信號的穩(wěn)定度與增益的穩(wěn)定度有關(guān)

3.末極的并聯(lián)電容當(dāng)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，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。設(shè)陽極脈動電流是矩形的，幅度為IA．脈沖寬度為Δt。則電量變化量為此值如果小于極間電壓的允許值，即△U≤△UDD就不會因陽極有脈動電流而使極問電壓變化超過允許值。若這個電量變化是由電容提供的，則電容上的電壓變化量應(yīng)為電容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?jǐn)?shù)。C2極電流為陽極電流的1/σ倍

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)定度一個數(shù)量級。例如，當(dāng)要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時，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，SK=40μA/lm，若要求入射光通量在0.6×10-6lm時的輸