光電檢測第六章真空光電器件

光電檢測第六章真空光電器件第一頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6.1光電陰極第六章真空光電器件

真空光電器件是基于外光電效應(yīng)的光電探測器,包括光電管和光電倍增管兩類。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有一個(gè)真空管,其他元件都放在真空管中。盡管在許多領(lǐng)域，半導(dǎo)體光電器件的性能價(jià)格比高于真空光電器件，但由于真空光電器件具有極高的靈敏度及快速響應(yīng)的特點(diǎn)，因而在微弱輻射的探測和快速弱輻射脈沖信息的捕捉等方面仍具有一定優(yōu)勢。第二頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6.1光電陰極第六章真空光電器件本章內(nèi)容

6.1光電陰極6.2光電管與光電倍增管6.3光電倍增管的主要性能參數(shù)6.4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路6.5微通道板光電倍增管6.6光電倍增管的應(yīng)用第三頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6.1光電陰極第六章真空光電器件光電陰極能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體,光電發(fā)射體在光電器件中常作為陰極，故又稱為光電陰極。光電陰極的主要參數(shù)6.1.2光電陰極的分類6.1.3常用光電陰極材料返回第四頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光電陰極的主要參數(shù)6.1光電陰極第六章真空光電器件

1.靈敏度返回2.量子效率3.光譜響應(yīng)曲線4.熱電子發(fā)射第五頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日靈敏度6.1光電陰極第六章真空光電器件

返回光電陰極的靈敏度包括：1）光照靈敏度2）色光靈敏度3）光譜靈敏度第六頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光照靈敏度6.1光電陰極第六章真空光電器件

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，也稱白光靈敏度或積分靈敏度。即返回其量綱為mA/lm。積分范圍的量綱為nm。第七頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日色光靈敏度6.1光電陰極第六章真空光電器件

即局部波長范圍的積分靈敏度。它表示在某些特定的波長區(qū)域，陰極光電流與入射光的白光光通量之比。一般用插入不同的濾光片來獲得不同的光譜范圍。返回第八頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光譜靈敏度6.1光電陰極第六章真空光電器件確定波長在單色光照射時(shí),陰極輸出光電流與入射的單色輻射通量之比。即其量綱為μA/W或A/W。

(6-1)返回第九頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日量子效率6.1光電陰極第六章真空光電器件

光電陰極受特定波長的光照射時(shí),該陰極所發(fā)射的光電子數(shù)Ne(λ)與入射的光子數(shù)Np(λ)之比值,稱為量子效率,用符號(hào)Q(λ)表示。量子效率和光譜靈敏度之間的關(guān)系為

(6-2)

(6-3)返回第十頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光譜響應(yīng)曲線6.1光電陰極第六章真空光電器件

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,稱為光譜響應(yīng)曲線。返回第十一頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日熱電子發(fā)射6.1光電陰極第六章真空光電器件

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,因而產(chǎn)生熱電子發(fā)射，因而形成暗電流。一般光電發(fā)射陰極的暗電流強(qiáng)度相當(dāng)于10-16~10-18A/cm2的電流密度。這些熱發(fā)射電子會(huì)引起噪聲。返回第十二頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光電陰極的分類6.1光電陰極第六章真空光電器件

光電陰極一般分為與兩種。透射型光電陰極反射型光電陰極返回第十三頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日反射型陰極6.1光電陰極第六章真空光電器件

反射型陰極通常制作在較厚的不透明介質(zhì)上，光線照射在陰極上，光電子會(huì)從照射面發(fā)射出來。如圖所示。返回第十四頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日透射型陰極6.1光電陰極第六章真空光電器件

透射型陰極通常制作在透明介質(zhì)上，光線通過透明介質(zhì)照射在陰極上，光電子則從光電陰極的另一面發(fā)射出來。如圖所示。返回第十五頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日常用光電陰極材料6.1光電陰極第六章真空光電器件

1．Ag-O-Cs材料2．單堿銻化物3．多堿銻化物4．負(fù)電子親合勢光電陰極5．紫外光電陰極第十六頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日常用光電陰極材料的特性參數(shù)6.1光電陰極第六章真空光電器件

返回第十七頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日Ag-O-Cs材料6.1光電陰極第六章真空光電器件

Ag-O-Cs材料是最早使用的高效光電陰極材料。與其他材料的光電陰極相比,Ag-O-Cs陰極在可見光區(qū)域的靈敏度較低,但在近紅外區(qū)的長波端靈敏度較高,因而Ag-O-Cs光電陰極主要應(yīng)用于近紅外探測。Ag-O-Cs陰極的光譜范圍為300~1200nm，量子效率不高，約為0.5~1%。返回第十八頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日單堿銻化物6.1光電陰極第六章真空光電器件

金屬銻與堿金屬,如鋰、鈉、鉀、銣、銫中的一種化合,都能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射體。其中,以CsSb（銻銫）陰極最為常用,在紫外和可見光區(qū)的靈敏度最高。第十九頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6.1光電陰極第六章真空光電器件

由于CsSb光電陰極的電阻相對(duì)于多堿銻化物光電陰極的電阻較低,適合于測量較強(qiáng)的入射光，陰極可以通過較大的電流。CsSb光電陰極的禁帶寬度約為1.6eV,電子親和勢為0.45eV,光電發(fā)射閾值約為2eV。銻銫陰極的峰值量子效率較高，比銀氧銫光電陰極高30多倍，一般可達(dá)20~30%。返回第二十頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日多堿銻化物6.1光電陰極第六章真空光電器件

這是指銻Sb和幾種堿金屬形成的化合物，包括雙堿銻材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三堿銻材料Sb-Na-K-Cs等，其中Sb-Na-K-Cs(Na2KSb)是最實(shí)用的一種光電陰極材料，其電子親和勢最低可降到0.25~0.30eV。具有高靈敏度和寬光譜響應(yīng)，不僅有較高的藍(lán)光響應(yīng)，還會(huì)延伸到近紅外區(qū)，適用于寬帶光譜測量儀。這種光電陰極材料的使用溫度不應(yīng)超過60℃.返回第二十一頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日負(fù)電子親合勢光電陰極6.1光電陰極第六章真空光電器件

電子親和勢指的是半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部到真空能級(jí)間的能量值，電子親和勢越小，就越容易逸出。如果電子親和勢為零或負(fù)值，則意味著電子處于隨時(shí)可以脫離的狀態(tài)，用電子親和勢為負(fù)值的材料制作的光電陰極，由光子激發(fā)出的電子只要能擴(kuò)散到表面就能逸出，因此靈敏度極高。最常用的負(fù)電子親合勢材料是GaAs(Cs)和InGaAs(Cs)。第二十二頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6.1光電陰極第六章真空光電器件負(fù)電子親合勢材料制作的光電陰極與前述的正電子親合勢光電陰極相比,具有以下4個(gè)方面的特點(diǎn)。

1)量子效率高返回2)光譜響應(yīng)延伸到紅外,光譜響應(yīng)率均勻3)熱電子發(fā)射小4)光電子的能量集中第二十三頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日量子效率高6.1光電陰極第六章真空光電器件

負(fù)電子親合勢陰極因其無表面勢壘,所以受激電子躍遷到導(dǎo)帶并遷移到表面后,可以較容易地逸出表面。實(shí)用的負(fù)電子親合勢光電陰極材料有GaAs,InCaAs,GaAsP等，其光譜響應(yīng)曲線如圖所示。它們的量子效率比Ag-O-Cs材料要高10~100倍,而且在很寬的光譜范圍內(nèi)光譜響應(yīng)曲線較平坦。返回第二十四頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6.1光電陰極第六章真空光電器件

正電子親合勢光電陰極的閾值波長為

而負(fù)電子親合勢光電陰極的閾值波長為

(6-4)

(6-5)返回第二十五頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日熱電子發(fā)射小6.1光電陰極第六章真空光電器件

與光譜響應(yīng)范圍相同的正電子親合勢的光電發(fā)射材料相比,負(fù)電子親合勢材料的禁帶寬度一般比較寬,所以熱電子不容易發(fā)射,一般只有10-16A/cm2。返回第二十六頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光電子的能量集中6.1光電陰極第六章真空光電器件

當(dāng)負(fù)電子親合勢光電陰極受光照時(shí)，被激發(fā)的電子在導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化(約10-12s)并落入導(dǎo)帶底(壽命達(dá)10-9s)，很容易發(fā)射出去,所以其光電子能量基本上都等于導(dǎo)帶底的能量。返回第二十七頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日紫外光電陰極6.1光電陰極第六章真空光電器件

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)所探測的紫外輻射信號(hào)靈敏,而對(duì)可見光無響應(yīng),這種陰極通常稱為“日盲”型光電陰極。目前比較實(shí)用的紫外光電陰極材料有碲化銫(CsTe)和碘化銫(CsI)兩種。CsTe陰極的長波限為0.32μm,而CsI陰極的長波限為0.2μm。返回第二十八頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光電管與光電倍增管6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

6.2.1光電管6.2.2光電倍增管返回第二十九頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光電管6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

光電管(PT)主要由玻殼(光窗)、光電陰極和陽極三部分組成，如圖所示。因光電管內(nèi)或抽成真空或充入低壓惰性氣體，所以有真空型和充氣型兩種。第三十頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

光電管的工作電路如圖所示。

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，光電子在電場的作用下被加速，并被陽極收集，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。第三十一頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

充氣型光電管的工作原理是：光照產(chǎn)生的光電子在電廠的作用下向陽極運(yùn)動(dòng)，由于途中與惰性氣體原子碰撞而使其發(fā)生電離，電離過程產(chǎn)生的新電子與光電子一起被陽極接收，而正離子向反方向運(yùn)動(dòng)被陰極接收，因此在電路內(nèi)形成數(shù)倍于真空型光電管的光電流。返回第三十二頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光電倍增管6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

光電倍增管(PMT)是在光電管的基礎(chǔ)上研制出來的一種真空光電器件。光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖所示,主要構(gòu)成部分：

入射窗口；光電陰極；電子光學(xué)系統(tǒng)；電子倍增極；陽極。第三十三頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光電倍增管的工作過程6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

①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(jí)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，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓Uo。

返回第三十四頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日入射窗口6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

1)窗口形式

光電倍增管的光窗是入射光的通道，光窗通常有側(cè)窗和端窗兩種類型，如圖所示。*第三十五頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

2)光電倍增管常用的窗口材料

光窗材料對(duì)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決定于光窗材料。光電倍增管常用的窗口材料有:(1)硼硅玻璃*(2)透紫外玻璃(3)熔融石英(4)藍(lán)寶石(5)MgF2返回第三十六頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光電陰極6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

側(cè)窗式光電倍增管一般使用反射式光電陰極，而且大多數(shù)采用鼠籠式倍增結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)用于光譜儀和發(fā)光強(qiáng)度測量。

端窗式光電倍增管通常使用半透明式光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面。返回第三十七頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日電子光學(xué)系統(tǒng)6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

電子光學(xué)系統(tǒng)是指陰極到倍增系統(tǒng)第一倍增極之間的電極空間,其中包括光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。電子光學(xué)系統(tǒng)的主要作用有兩點(diǎn)。①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上。用電子收集率ε0表示。*②使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越時(shí)間盡可能相等。用渡越時(shí)間離散性△t表示。返回第三十八頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日電子倍增極6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

1)二次電子發(fā)射原理返回2)倍增極材料3)倍增極結(jié)構(gòu)第三十九頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日二次電子發(fā)射原理6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

*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。稱入射的電子為一次電子N1，從倍增極表面發(fā)射的電子為二次電子N2。*定義該材料的二次發(fā)射系數(shù)σ為

(6-6)第四十頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

二次電子發(fā)射過程可以分為3個(gè)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)，這些受激電子稱為內(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(dòng)；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。返回第四十一頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日倍增極材料6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

倍增極材料大致可分以下4類。①主要是銀氧銫和銻銫兩種化合物,它們既是靈敏的光電發(fā)射體,也是良好的二次電子發(fā)射體。②氧化物型，主要是氧化鎂、氧化鋇等。③合金型，主要是銀鎂、鋁鎂、銅鎂、鎳鎂、銅鈹?shù)群辖稹＂茇?fù)電子親合勢材料，如用銫激活的磷化鎵等。返回第四十二頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日倍增極結(jié)構(gòu)6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

光電倍增管中的倍增極一般由幾級(jí)至十五級(jí)組成。根據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類。

(1)鼠籠式(2)盒柵式(3)直線聚焦式(4)百葉窗式(5)近貼柵網(wǎng)式(6)微通道板式第四十三頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

下表歸納出了上述6種倍增極結(jié)構(gòu)的端窗式光電倍增管的典型指標(biāo)的比較。返回第四十四頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日鼠籠式6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

鼠籠式結(jié)構(gòu)和不透明光電電極相配合，可以做成小巧緊湊的聚焦性光電倍增管。所有側(cè)窗式光電倍增管及某些端窗式光電倍增管都采用鼠籠式結(jié)構(gòu)倍增極。最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，時(shí)間響應(yīng)快。脈沖信號(hào)的上升時(shí)間可達(dá)納秒級(jí)。返回第四十五頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日盒柵式6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

盒柵式的倍增極由1/4圓弧盒組成。這種結(jié)構(gòu)便于做得體積小，小型光電倍增管大多采用這種結(jié)構(gòu)。廣泛用于端窗式光電倍增管。其主要特點(diǎn)是光電子收集率高，均勻性和穩(wěn)定性較好，但時(shí)間響應(yīng)稍慢一些。返回第四十六頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日直線聚焦式6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

倍增極的形狀類似瓦片，它的曲度能提供一個(gè)聚焦電場，使前一級(jí)電子流大致射到下一級(jí)倍增極的中央。這種結(jié)構(gòu)的倍增極多數(shù)用于端窗式光電倍增管。主要特點(diǎn)是時(shí)間響應(yīng)很快，線性好。脈沖信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間可以小到1ns。返回第四十七頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日百葉窗式6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

在每一倍增極中采用若干小板，與光電倍增管軸線成45?角，與前一倍增極相反，互成90?角。適用于端窗式光電倍增管，倍增級(jí)的有效工作面積可以做得很大，它與大面積的光電陰極相配合，可以做成探測微弱光輻射的大型光電倍增管。管子的均勻性好,輸出電流大并且穩(wěn)定；但響應(yīng)時(shí)間較慢，最高響應(yīng)頻率僅為幾十兆赫。返回第四十八頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日近貼柵網(wǎng)式6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

用近貼的柵網(wǎng)代替普通的倍增極。這種結(jié)構(gòu)的光電倍增管具有極好的均勻性和脈沖線性，抗磁場影響能力強(qiáng)。當(dāng)陽極采用多電極結(jié)構(gòu)時(shí)，可以做成位置敏感型器件。返回第四十九頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日微通道板式6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

這種倍增極系統(tǒng)實(shí)際上是一塊微通道板(MCP)，微通道板是由許多直徑為幾十微米的玻璃管平行排列而成。微通道板式光電倍增管的響應(yīng)速度極快,抗磁場干擾能力強(qiáng)、線性好。返回第五十頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日陽極6.2光電管與光電倍增管第六章真空光電器件

陽極的作用是收集從末級(jí)倍增極發(fā)射出的二次電子。最簡單常用的陽極是柵狀陽極。柵狀陽極的輸出電容小，陽極附近也不易產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。返回第五十一頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光電倍增管的主要性能參數(shù)6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

1．靈敏度2．放大倍數(shù)(增益)3．暗電流4．噪聲5．伏安特性6．線性7．穩(wěn)定性8．滯后效應(yīng)9．時(shí)間特性10．磁場特性第五十二頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日部分國產(chǎn)光電倍增管的主要特性參數(shù)6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

返回第五十三頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日靈敏度6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

1)光譜響應(yīng)2)陰極靈敏度3)陽極光照靈敏度返回第五十四頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光譜響應(yīng)6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

陰極的光譜靈敏度取決于光電陰極和窗口的材料性質(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)的乘積，而其光譜響應(yīng)曲線基本上與陰極的相同。

返回第五十五頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日陰極靈敏度6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

若入射到光電陰極面上的光通量為Φ，陰極輸出的光電流為Ik,陰極的光照靈敏度定義為光陰極產(chǎn)生的光電流與入射到它上面的光通量之比,即

(6-7)返回分為陰極白光靈敏度、陰極單色靈敏度或光譜靈敏度。第五十六頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日陽極光照靈敏度6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

陽極光照靈敏度表示光電倍增管在接收分布溫度為2856K的光輻射時(shí)，陽極輸出信號(hào)電流與入射到陰極上的光通量之比，即

(6-8)返回有白光靈敏度、藍(lán)光靈敏度、紅光靈敏度及單色靈敏度等。第五十七頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日放大倍數(shù)(增益)6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

光電倍增管倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)σ是倍增極間電壓的函數(shù),即式中:α——常數(shù);（對(duì)于Cs3Sb

材料，α=0.2）

k——其值與倍增極的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般為0.7~0.8。（對(duì)于Cs3Sb

材料，k

=0.7）

(6-9)第五十八頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

由光陰極發(fā)射的光電流Ik撞擊第一倍增極后，產(chǎn)生二次電子發(fā)射電流Id1。其二次電子發(fā)射系數(shù)為這些電子從第一倍增極到第二倍增極，最后直到第N級(jí)倍增極被級(jí)聯(lián)放大，第N極的二次電子發(fā)射系數(shù)為

(6-10)第五十九頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

光電陰極發(fā)射的光電流經(jīng)過各級(jí)倍增極倍增后，從陽極輸出的電流為式中ε為電子光學(xué)系統(tǒng)的收集率。

假定各倍增極和陽極σ均相等，那么光電倍增管的放大倍數(shù)為

(6-11)第六十頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

將式(6-9)代入式(6-11)中，再假定倍增管均勻分壓，級(jí)間電壓Udi相等，那么放大倍數(shù)與光電倍增管所加電壓U的關(guān)系為其中A=εαN/(N+1)kN，從式(6-12)可知，光電倍增管的放大倍數(shù)和陽極輸出電流隨所加電壓的kN次方指數(shù)變化。

(6-12)第六十一頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

下圖給出了典型的電流放大倍數(shù)與電源電壓的關(guān)系。第六十二頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

返回由圖可見光電倍增管的陽極電流和放大倍數(shù)對(duì)高壓電源的電壓變化非常敏感。光電倍增管的增益穩(wěn)定度與電源電壓的穩(wěn)定度可用如下關(guān)系式來表示一般情況下，倍增級(jí)數(shù)N=9~12，因此電壓穩(wěn)定度應(yīng)比測量精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。第六十三頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日暗電流6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

光電倍增管的暗電流是指在施加規(guī)定的電壓后，在無光照情況下測定的陽極電流。暗電流決定了光電倍增管的極限靈敏度。暗電流來源可歸納為三類：(1)熱電子發(fā)射；（光電陰極與第一倍增極間）(2)歐姆漏電；（極間漏電流）(3)場致發(fā)射；（尖端放電）

(4)殘余氣體離子發(fā)射。（離子和光反饋）第六十四頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

從上述暗電流產(chǎn)生的原因可見，它與電源電壓有密切關(guān)系，如圖所示。第六十五頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

1.選好光電倍增管的極間電壓；合適的極間電壓可避開光反饋和場致發(fā)射造成的不穩(wěn)定影響。2.在陽極回路中加上與暗電流相反的直流成份來補(bǔ)償；3.在倍增輸出電路中加一選頻或鎖相放大濾掉暗電流；4.利用冷卻法減少熱電子發(fā)射。減少暗電流的方法：返回第六十六頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日噪聲6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

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)的閃爍噪聲等。散粒噪聲中一大部分是暗電流被倍增引起的。

減小噪聲和暗電流的常用有效方法是致冷。第六十七頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

使用致冷方法時(shí)必須注意以下幾個(gè)問題:①光電陰極的光譜響應(yīng)曲線會(huì)隨溫度而變化，②隨著溫度的下降會(huì)影響第一倍增極的光電子吸收效率；③冷卻時(shí)要防止光入射窗上凝結(jié)水汽。④制冷溫度不能過低。返回第六十八頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日伏安特性6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

1)陰極伏安特性當(dāng)入射光通量一定時(shí)，陰極和第一倍增極之間電壓(簡稱為陰極電壓Uk)與陰極光電流的關(guān)系稱為陰極伏安特性，如圖為不同光通量下測得的陰極伏安特性。第六十九頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

2)陽極伏安特性當(dāng)入射光通量一定時(shí)，最后一級(jí)倍增極和陽極之間電壓(簡稱陽極電壓Up)與陽極電流的關(guān)系稱為陽極伏安特性，圖為不同光通量下測得的陽極伏安特性。返回第七十頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

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。這主要是由光電倍增管的陽極線性特性引起的。透射型光陰極倍增管在低電壓、大電流下工作，其線性也受陰極線性特性影響。如果工作電壓是恒定的，陰極和陽極的線性就僅僅取決于電流值，與入射光的波長無關(guān)。

若使用合理，很多光電倍增管是可以在很大范圍內(nèi)線性工作的。線性第七十一頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

光電倍增管的線性既與光電倍增管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，在很大程度上也取決于外部的高壓供電電路及信號(hào)輸出電路。

非線性的原因：

內(nèi)因：空間電荷、光電陰極的電阻率、聚焦或收集效率的變化。外因：陽極電流對(duì)末極倍增電壓的影響。返回第七十二頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日穩(wěn)定性6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

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。

光電倍增管的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在靈敏度的慢漂移。即由于最后幾級(jí)倍增極在大量電子轟擊下受損，引起發(fā)射系數(shù)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因素有關(guān)。返回第七十三頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日滯后效應(yīng)6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

當(dāng)工作電壓或入射光發(fā)生變化之后,光電倍增管會(huì)有一個(gè)幾秒鐘以幾十秒鐘的不穩(wěn)定輸出過程,在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前,輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一些微過脈沖或欠脈沖現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為“滯后效應(yīng)”。

滯后效應(yīng)是由于二次電子偏離預(yù)定軌道和電極支撐架、玻殼等的靜電荷引起的。當(dāng)入射的光照變化，而所加的電壓也跟著變化時(shí)，滯后效應(yīng)特別明顯。

第七十四頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

當(dāng)長時(shí)間沒有入射光信號(hào)時(shí)，給光電倍增管加一個(gè)模擬信號(hào)光來減小陽極輸出電流的變化對(duì)減小光滯后是很有效的。目前有些光電倍增管采用了“抗滯后設(shè)計(jì)”在倍增極陶瓷支架上鍍一層鉻，并使其與陰極處于同一電位，從而排斥雜散電子。返回第七十五頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日時(shí)間特性6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

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)間及渡越時(shí)間離散來表示。返回第七十六頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日磁場特性6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

磁場會(huì)使本來由靜電場確定的電子軌跡產(chǎn)生偏移。在磁場的作用下電子運(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。

一般磁場對(duì)聚焦式倍增管的影響比百葉窗式要大。特別是陰極與第一倍增極間距較長、管子直徑較大的端窗式光電倍增管，影響更加明顯。第七十七頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．3光電倍增管的主要性能參數(shù)第六章真空光電器件

為了減少外部磁場對(duì)光電倍增管工作的影響，一般在管子外部加一個(gè)磁屏蔽筒。若有幾個(gè)半徑不同屏蔽筒套在一起使用，則屏蔽效果是個(gè)屏蔽筒效果的乘積。目前采用了近貼柵網(wǎng)和微通道板代替普通的倍增極結(jié)構(gòu)，使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。返回第七十八頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

6.4.1高壓電源6.4.2高壓分壓電路6.4.4信號(hào)輸出方式6.4.3分壓電流與輸出線性的關(guān)系6.4.5變換電路設(shè)計(jì)舉例返回第七十九頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

光電倍增管必須工作在高壓狀態(tài)下，而且對(duì)高壓電路的穩(wěn)定性要求較高。一般要求電源電壓的穩(wěn)定性應(yīng)比光電倍增管所要求的穩(wěn)定性高10倍左右。在精密的光輻射測量中，要求電源電壓的穩(wěn)定度應(yīng)達(dá)到0.01~0.05%。高壓電源第八十頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

目前，光電倍增管常用的一種體積小巧的高壓電源模塊，如圖(a)所示。輸入直流電壓一般為幾V~24V，輸出電壓可達(dá)幾百~上萬V。第八十一頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

特點(diǎn)：1．超小型、輕重量。2．輸出電壓調(diào)整范圍寬；可用電阻調(diào)整也可用直流電壓調(diào)整。3．設(shè)計(jì)有輸出短路保護(hù)電路。4．高穩(wěn)定度：在輸入電壓及負(fù)載變化較寬的范圍內(nèi)，輸出高壓的穩(wěn)定度不受影響。第八十二頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

表6-2是幾種高壓電源模塊的特性參數(shù)。北京濱松光電子技術(shù)公司的產(chǎn)品外形如圖所示。第八十三頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

北京柏斯頓公司生產(chǎn)的QS956的技術(shù)指標(biāo)如下：1、輸入電壓均為24V±3V，也可選擇：3V，6V，9V，12V，15V。2、輸出電壓分為正、負(fù)兩種。3、輸入、輸出分為共地、隔離兩種。4、輸出電壓值分為三種：固定、微調(diào)、滿程調(diào)節(jié)。電壓：100~30000V，電流：0.5~2000mA。5、輸出調(diào)節(jié)方式：電位器調(diào)節(jié)、外供0-5V電壓控制。第八十四頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

6、紋波：0.02%--0.1%7、溫度系數(shù)：0.02%--0.1%8、時(shí)漂：0.02%--0.1%9、工作溫度：工業(yè)品：-10℃--+50℃，軍品：-45℃--+85℃。10、根據(jù)電壓、電流有不同尺寸：50x35x20mm,50x38x25mm,60x38x25mm,70x38x25mm,80x38x25mm,100x38x25mm,140x55x40mm等。返回第八十五頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日高壓分壓電路6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

1.定義光電倍增管工作時(shí)，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。第八十六頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

如圖所示為典型光電倍增管電阻分壓式供電電路。電路由7個(gè)電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器，分別向6級(jí)倍增極提供極間供電電壓UDi。

當(dāng)流過電阻鏈的電流Ib遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流過陽極的電流IP時(shí)，可認(rèn)為流過各分壓電阻的電流相等。實(shí)際設(shè)計(jì)中常選即可。第八十七頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

選定Ib后，可以計(jì)算出電阻鏈分壓器的總電阻

從而可以計(jì)算出各分壓電阻Ri?？紤]到第1倍增極與陰極距離較遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)UD1為其它倍增極的1.5倍，即則返回第八十八頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

2.高壓分壓電路的接地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)高壓方式，見圖(a)。返回第八十九頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日分壓電流與輸出線性的關(guān)系6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

1．直流信號(hào)工作的線性直流信號(hào)輸出的分壓電路如圖所示。陽極電流和倍增極電流的增大將導(dǎo)致分壓電流的減少,從而使得板間電壓降低，尤其對(duì)于有著較大倍增極電流的靠后的倍增極更為明顯。當(dāng)入射光強(qiáng)增加，陽極和倍增極電流增加時(shí)，后幾個(gè)倍增極的極間虧損電壓要重新分配給前面的倍增極間，從而使得前面的極間電壓有所增加。第九十頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

光電流的增大使得最后的倍增極與陽極之間的電壓虧損非常明顯，但這一區(qū)域的電壓對(duì)最后一級(jí)倍增極的二次激發(fā)速率影響較小。因此，電壓在前幾極間的重新分配和上升，導(dǎo)致光電倍增管的電流放大倍數(shù)明顯增加，如圖所示。一般實(shí)用的陽極最大直流輸出通常為分壓電流的1/20一1/50。如果線性度要高于±1%，那么最大輸出電流必須控制在分壓電流的1/100以內(nèi)。第九十一頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

為增加最大線性輸出,可以采用以下兩種方法:①減小分壓電阻的阻值來增加分壓電流；②在最后一倍增極和陽極間使用一只齊納二極管（如圖所示)。第九十二頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

2．脈沖信號(hào)工作時(shí)的線性脈沖電流輸出、電流變化輻值大，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)，在分壓器最后幾極電阻上并聯(lián)去耦電容，如圖所示。實(shí)際設(shè)計(jì)中常取C1=100pF,C2=1000pF,C3=0.01μF。返回第九十三頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日信號(hào)輸出方式6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

1．用負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)電流一電壓轉(zhuǎn)換

如圖電路的負(fù)載電阻為RL，光電倍增管的輸出電容(包括連線等雜散電容)為Cs，那么截止頻率可以由下式給出。

(6-13)第九十四頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

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Rin。因?yàn)楣怆姳对龉艿挠行ж?fù)載電阻RO為RL和Rin的并聯(lián),所以RO的阻值要小于RL。選擇負(fù)載電阻時(shí)要注意：

①頻響要求比較高的場合，負(fù)載電阻應(yīng)盡可能??；②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)電流在它上面產(chǎn)生的壓降在幾伏以下；③負(fù)載電阻應(yīng)比放大器的輸入阻抗小得多。第九十五頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

2．用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換

如圖為一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。運(yùn)算放大器的輸出電壓Uo等于分配在電阻Rf上的電壓，即

(6-14)第九十六頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

為了防止光電倍增管輸出端發(fā)出高壓，采用如圖所示的由一只電阻Rp和二極管VD1,及VD2組成的保護(hù)電路可以防止前置放大器被損壞。返回第九十七頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日變換電路設(shè)計(jì)舉例6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

例：設(shè)入射到PMT光敏面上的最大光通量為Φv=12х10-6lm，當(dāng)采用GDB-235型倍增管作為光電探測器時(shí)，陰極靈敏度為40μA/lm。若要求入射為0.6х10-6lm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。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(hào)的穩(wěn)定度最高能達(dá)到多少？第九十八頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

解：選擇如圖所示的電路。（1）計(jì)算供電電源的電壓根據(jù)題意，入射為0.6х10-6lm時(shí)，輸出電壓不低于0.2V，GDB-235的陽極靈敏度為1~10A/lm,若要工作在4A/lm，則入射為0.6

х10-6lm時(shí)陽極電阻RL=0.2/(4х0.6х10-6

)=83k,取RL=82k陽極電流Ipmin=Uo/RL=2.439μA陰極電流Ik=SkΦvmin=40X0.6х10-6=24х10-6μA第九十九頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

則電流增益M=Ipmin/Ik=2.439/24х10-6=1.02x105由于M=εσN其中N=8，取ε=1，可得σ=4.227

又由于對(duì)CsSb材料,式中α=0.2，k=0.7則可得總電源電壓為

第一百頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．4光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第六章真空光電器件

（2）計(jì)算偏置電路電阻鏈的阻值流過陽極電阻的最大電流取IR≥10Ipmax，則有IR=500μA

因此，電阻鏈的電阻Ri=Udi/IR=78V/500μA=156(kΩ)

則取Ri=120(kΩ)，R1=1.5Ri=180(kΩ)（3）輸出信號(hào)電壓的最高穩(wěn)定度為返回第一百零一頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日微通道板光電倍增管6．5微通道板光電倍增管第六章真空光電器件

如果用微通道板代替一般光電倍增管中的電子倍增器，就構(gòu)成微通道板光電倍增管(MCP光電倍增管)。如圖所示。微通道是一根很細(xì)的玻璃管，它的內(nèi)壁鍍有高阻值的二次發(fā)射材料，具有電阻梯度，施加高電壓后內(nèi)壁將出現(xiàn)電位梯度，光電陰極發(fā)出的一次電子轟擊微通道的一端，發(fā)射出的二次電子因電場加速而轟擊另一處，再發(fā)射二次電子，這樣連續(xù)多次發(fā)射二次電子，可獲得約104的增益。第一百零二頁，共一百一十五頁，2022年，8月28日6．5微通道板光電倍增管第六章真空光電器件

微通道板是由成千上萬根直徑為15~40μm、長度為0.6~1.6mm的微通道排成的二維列陣，如圖所示，簡稱MCP。由于有很高的