光電檢測器件光電檢測器件資料

光電檢測器件光電檢測器件資料第一頁，共55頁。光電檢測器件第二節(jié)：真空光電探測器件一、光電發(fā)射材料材料種類：純金屬材料、半導體材料，表面吸附其他元素的金屬。良好的光電發(fā)射材料的具備條件：①光吸收系數(shù)大；②光電子在體內(nèi)傳輸過程中受到的能量損失小，使其逸出深度大；③表面勢壘低，使表面逸出幾率大。第二頁，共55頁。常用的光電陰極材料反射系數(shù)大(約為99％)

、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大－－適應對紫外靈敏的光電探測器。光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多－－光譜響應：可見光和近紅外波段。金屬：半導體：常規(guī)光電陰極負電子親和勢陰極半導體材料廣泛用作光電陰極第三頁，共55頁。（1）、銀氧銫(Ag-O-Cs)光電陰極1、常規(guī)光電陰極峰值波長：350nm,800nm光譜響應范圍約300-1000nm；量子效率約0.5％；使用溫度100°C；暗電流大。最早的光電陰極，主要應用于近紅外探測第四頁，共55頁。（2）單堿銻化物：金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫中的一種化合，能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射體。最常用的是銻化銫（CsSb），其陰極靈敏度最高，量子效率為15－25％，藍光區(qū)量子效率高達30%，長波限為：600nm。廣泛用于紫外和可見光區(qū)的光電探測器中。光譜響應范圍較窄對紅光＆紅外不靈敏CsSb陰極最為常用，紫外和可見光區(qū)的靈敏度最高（3）多堿銻化物：Sb－Na－K－Cs最實用的光電陰極材料，高靈敏度、寬光譜，紅外端延伸930nm，用于寬帶光譜測量儀，擴展到近紅外。第五頁，共55頁。（4）紫外光電陰極光電陰極只對所探測的紫外輻射信號靈敏，而對可見光無響應，這種陰極通常稱為“日盲”型光電陰極?！叭彰ぁ毙凸怆婈帢O實用的兩種：碲化銫(CsTe)－－長波限為0.32μm碘化銫(Csl)－－長波限為0.2μm。響應范圍(100—280nm)第六頁，共55頁。2.負電子親和勢陰極兩個問題：

1.什么是負電子親和勢2.為什么NEA陰極的量子效率高于正電子親和勢陰極？

第七頁，共55頁。2.負電子親和勢陰極

價帶中的電子吸收光子能量，躍遷到導帶底以上，成為熱電子（受激電子能量超過導帶底的電子）。在向表面運動的過程中，由于碰撞散射而發(fā)生能量損失，故很快就落到導帶底而變成冷電子（能量恰好等于導帶底的電子）。第八頁，共55頁。熱電子的平均壽命非常短，約10-14～10-12s。如果在這么短的時間內(nèi)能夠運動到真空界面，自然能逸出。但是熱電子的逸出深度只有幾十納米，絕大部分電子來不及到達真空界面，就已經(jīng)落到導帶底變成冷電子了。

冷電子的平均壽命比較長，約10-9～10-8s，。對于NEA來說，因為體內(nèi)冷電子能量仍高于真空能級，所以它們運動到真空界面時，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多。

第九頁，共55頁。NEA與PEA的對比（見書60頁）第十頁，共55頁。PhotomultiplierTube簡稱PMT1.基本結構二、光電倍增管電子光學系統(tǒng)第十一頁，共55頁。光電倍增管（PMT）是光子技術器件中的一個重要產(chǎn)品，它是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件?？蓮V泛應用于光子計數(shù)、極微弱光探測、化學發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計、旋光儀、色度計、照度計、塵埃計、濁度計、光密度計、熱釋光量儀、輻射量熱計、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設備中。

第十二頁，共55頁。光電倍增管的結構及原理

光電倍增管是一種真空器件。它由光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。第十三頁，共55頁。硼硅玻璃（無鉀玻璃）

常用的玻璃材料，可以透過從近紅外至300nm的入射光，不適合于紫外區(qū)的探測。透紫玻璃（UV玻璃）

很好地透過紫外光，和硼硅玻璃一樣被廣泛使用。分光應用領域一般都要求用透紫玻璃，其截止波長可接近185nm。

窗口材料合成石英

紫外光波長延伸至160nm氟化鎂（鎂氟化物）極好的紫外線透過性，接近115nm，藍寶石紫外光波長延伸至150nm

第十四頁，共55頁。當光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統(tǒng)，并通過進一步的二次發(fā)射得到倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。第十五頁，共55頁。光電檢測器件說明：

陰極室的結構與光陰極K的尺寸和形狀有關,它的作用是把陰極在光照下由外光電效應產(chǎn)生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一打拿極D1的表面上。二次發(fā)射倍增系統(tǒng)是最復雜的部分。打拿極主要選擇那些能在較小入射電子能量下有較高的靈敏度和二次發(fā)射系數(shù)的材料制成。常用的打拿極材料有銻化銫、氧化的銀鎂合金和氧化的銅鈹合金等。打拿極的形狀應有利于將前一級發(fā)射的電子收集到下一極。第十六頁，共55頁。光電檢測器件在各打拿極D1、D2、D3…和陽極A上依次加有逐漸增高的正電壓,而且相鄰兩極之間的電壓差應使二次發(fā)射系數(shù)大于1。這樣,光陰極發(fā)射的電子在D1電場的作用下以高速射向打拿極D1,產(chǎn)生更多的二次發(fā)射電子,于是這些電子又在D2電場的作用下向D2飛去。如此繼續(xù)下去，每個光電子將激發(fā)成倍增加的二次發(fā)射電子，最后被陽極收集。第十七頁，共55頁。光電檢測器件3、分類①“聚焦型”和“非聚焦型”電子倍增系統(tǒng)有聚焦型和非聚焦型兩類。聚焦型的打拿極把來自前一級的電子經(jīng)倍增后聚焦到下一級去，兩極之間可能發(fā)生電子束軌跡的交叉。非聚焦型又分為圓環(huán)瓦片式（即鼠籠式）、直線瓦片式、拿柵式和百葉窗式。聚焦型光電倍增管，電子在其中飛行的時間較短，飛行時間的漲落也小，它適用于要求分辨時間短的場合；第十八頁，共55頁。光電檢測器件非聚焦型光電倍增管，由于極與極之間沒有聚焦場，電子損矢較大，為了要得到較大的電子倍增，就要增加倍增極數(shù)目，相應地也就增加了飛行時間及其漲落，所以這種管子的時間分辨本領較差，其優(yōu)點是同樣大小的光脈沖照射到光陰極不同部位時，陽極靈敏度變化不大，最后輸出的脈沖幅度比較一致，因此作能譜測量時的能量分辨率較好。

第十九頁，共55頁。光電檢測器件②端窗式和側窗式端窗式：百葉窗倍增極結構、盒柵倍增極結構、瓦片靜電聚焦結構；側窗式：圓形鼠籠結構第二十頁，共55頁。4、光電倍增管的主要特性參數(shù)1．靈敏度

2．電流增益3．光電特性4．光譜特性5．伏安特性6．時間特性7．暗電流8．疲勞特性9．噪聲第二十一頁，共55頁。1．靈敏度光電倍增管的靈敏度：單位：陰極靈敏度－－μA/lm或μA/W陽極靈敏度－－A/lm或A/W靈敏度是衡量光電倍增管探測光信號能力的一個重要參數(shù)。第二十二頁，共55頁。1）陰極靈敏度測試圖照射到光電陰極上的光通量約為10-5～10-2lm－100V～－300V0V第二十三頁，共55頁。2）陽極光照靈敏度測試GVEA10-10~10-6lm各倍增極和陽極都加上適當電壓；注明整管所加的電壓第二十四頁，共55頁。2．電流增益陽極電流與陰極電流之比稱為電流增益M（內(nèi)增益）

第二十五頁，共55頁。3、光電特性陽極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關系，稱為倍增管的光電特性。

第二十六頁，共55頁。4．光譜特性近紅外遠紫外可見光短波限－－窗口材料限制

長波限－－陰極材料限制

第二十七頁，共55頁。5、暗電流（1）定義：無光照時，PMT的輸出電流。（2）引起暗電流的因素：（主要暗電流）光電陰極＆第一倍增極的熱電子發(fā)射；（極間漏電流）各級絕緣體強度不夠或極間灰塵放電；離子＆光的反饋作用（抽真空技術受限）；場致發(fā)射，尖端放電（尖端，棱角，邊緣的高壓放電）；放射性同位素＆宇宙射線的影響。第二十八頁，共55頁。（3）減小暗電流的方法：選好PMT的極間電壓；在陽極回路中加上與暗電流相反的直流成分來補償；在倍增輸出電路加一選頻或鎖相放大濾掉暗電流；利用冷卻法減小熱電子發(fā)射等。第二十九頁，共55頁。6、伏安特性IaVaDnE3E2E1E3>E2>E1圖5PMT的陽極伏安特性第三十頁，共55頁。光電檢測器件7、頻率響應響應時間可達0.23ns8、PMT的噪聲一般來說，選PMT總是使熱噪聲遠小于器件固有的散粒噪聲，所以PMT主要考慮散粒噪聲，而不考慮熱噪聲。第三十一頁，共55頁。光電檢測器件5、供電電路①分壓器電阻

分壓器本身不是光電倍增管的一部分，但為使其正常工作又是一個不可缺少的部分。它的作用是使光電倍增管中從光電陰極到依次各二次極最后到陽極的電位逐漸升高，使光電子順利完成電子倍增過程，在各種類型的分壓器中，用得最多也最簡單的是電阻分壓器，按照各極間所需電壓的比例采用相應的電阻值，使總電壓分配到各極間去。

第三十二頁，共55頁。高壓供電電路－－分壓電阻的確定總電壓UAK在1000～1500V之間，倍增極極間電壓UD在80～100V之間－－可以確定分壓電阻IRIAmax第三十三頁，共55頁。高壓供電電路－－分壓電阻的確定實例：說明：i.第一級對陰極電流形成影響最大,高出20~30Vii.中間級均勻分配iii.最后一級,要高,克服空間電荷區(qū)的影響.第三十四頁，共55頁。高壓供電電路－－并聯(lián)電容的確定

探測光脈沖，最后幾級脈沖電流很大，極間電壓不穩(wěn)－－最后幾級并聯(lián)旁路電容C1、C2、C3。第三十五頁，共55頁。高壓供電電路－－接地方式

缺點：陰極負高壓，屏蔽困難，暗電流和噪聲大。優(yōu)點：屏蔽罩靠近陰極，效果好；暗電流小，噪聲低陽極接地（負高壓接法）陰極接地(正高壓接法)優(yōu)點：便于與后面放大器相連，操作安全缺點：高壓不利于安全操作；接耐壓很高的隔直電容器。第三十六頁，共55頁。光電倍增管的應用1.紫外/可見/近紅外分光光度計

光通過物質時使物質的電子狀態(tài)發(fā)生變化，而失去部分能量，稱為吸收。利用吸收進行定量分析。為確定樣品物質的量，采用連續(xù)的光譜對物質進行掃描，并利用光電倍增管檢測光通過被測物質前后的強度，即可得到被測物質吸收程度，計算出物質的量。

一、光譜測量第三十七頁，共55頁。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，照射燃燒并霧化分離成原子狀態(tài)到被測物質上，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。

第三十八頁，共55頁。二、極微弱光信號的探測—光子計數(shù)現(xiàn)在的光子計數(shù)系統(tǒng)，可探測到每秒10-12個光子水平的極微弱光，這種光子計數(shù)系統(tǒng)已用于生命科學研究中的細胞分類分析，它先用熒光物質對細胞進行標記，然后根據(jù)這些細胞發(fā)出的不同的熒光進行分析，可以分離和捕集不同的細胞。也要求光子計數(shù)系統(tǒng)的探測器有足夠高的量子效率和很低的噪聲。第三十九頁，共55頁。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

用單色光照射物質后被散亂，這種散亂光中，只有物質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。

第四十頁，共55頁。三、質量光譜學與固體表面分析

固體表面分析

固體表面的成分和結構，可以用極細的電子、離子、光或X射線的束流，入射到物質表面，對表面發(fā)出的電子、離子、X射線等進行測定來分析。這種技術在半導體工業(yè)領域被用于半導體的檢查中，如缺陷、表面分析、吸附等。電子、離子、X射線一般采用電子倍增器或MCP來測定。

第四十一頁，共55頁。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。

第四十二頁，共55頁。五、生物技術

細胞分類

細胞分類儀是利用熒光物質對細胞標定后，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分離細胞，為此，有一種用于對細胞、化學物質進行解析的裝置，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。

第四十三頁，共55頁。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)逐步改良，γ相機的性能得到快速的發(fā)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。

第四十四頁，共55頁。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域。將含有放射性同位素物質溶于有機閃爍體內(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)光物質等標識的抗原體的量進行化學測定。

第四十五頁，共55頁。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。

第四十六頁，共55頁。八、資源調查

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結構中的自然射線，判斷油井周圍的地層類型及密度第四十七頁，共55頁。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備來實現(xiàn)。對于低密度物質，比如橡膠、塑料、紙張等，采用β射線源；諸如鋼板等的高密度物質則使用γ射線。（在電鍍、蒸發(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、掩膜錯位等。芯片的缺陷檢查裝置中用光電倍增管檢測芯片被激光照射后，塵埃、污染、缺陷等產(chǎn)生的散亂光。

第四十八頁，共55頁。十、攝影印刷

彩色掃描

彩色圖片或照片進行印刷時，需要將其顏色進行分色掃描。分色是用光電倍增管和濾光片，把彩色分解成三原色（紅、綠、蘭）和黑色，作為圖象數(shù)據(jù)讀出。

第四十九頁，共55頁。十一、高能物理-----加速器實驗

輻射計數(shù)器

在2層正交排列的細長塑料晶體的端部，配置光電倍增管，測量帶電粒子通過的位置和時間。

契倫柯夫計數(shù)器

這是用于粒子撞擊反應時產(chǎn)生的二次粒子識別的裝置。二次粒子通過諸如氣體這種介質時，具有一定能量的電荷粒子會發(fā)出契