光電技術(shù) 第5版 課件 第4章4.1節(jié) 光電發(fā)射陰極

第4章光電發(fā)射器件

4.1光電發(fā)射陰極光電發(fā)射器件具有極高的靈敏度、快速響應(yīng)等特點，用于真空探測和快速弱輻射脈沖信息。

光電發(fā)射陰極是光電發(fā)射器件的重要部件，它是吸收光子能量發(fā)射光電子的部件。4.1.1光電發(fā)射陰極的主要參數(shù)

主要特性參數(shù)為靈敏度、量子效率、光譜響應(yīng)和暗電流等。1.靈敏度

光電發(fā)射陰極的靈敏度應(yīng)包括光譜靈敏度與積分靈敏度兩種。1)

光譜靈敏度

定義在單色輻射作用于光電陰極時，陰極電流Ik與光譜輻通量φe,λ之比為光譜靈敏度Se,λ。即Se,λ=IK/φe,λ，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，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，光電陰極電流Ik與入射光通量φv之比為光電陰極的白光靈敏度Sv。即

2.量子效率

定義：光電陰極單位時間發(fā)射的光電子數(shù)Ne,λ,與入射光子數(shù)之比為光電陰極的量子效率ηλ。即

量子效率和光譜靈敏度是一個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)光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與輻射波長的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng)。

4.暗電流光電陰極中少數(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。光電陰極的暗電流與材料的光電發(fā)射閾值有關(guān)。光電陰極的暗電流極低，一般在10-16~10-18Acm-2范圍。4.1.2光電陰極材料1.單堿與多堿銻化物光陰極

銻銫(Cs3Sb)光電陰極是最常用的，量子效率很高。長波限約為650nm，對紅外不靈敏。

銻銫陰極峰值量子效率較高，常達20%~30%，比銀氧銫陰極高30多倍。兩種或三種堿金屬與銻化合形成多堿銻化物光陰極。其量子效率峰值可高達30%。

2.銀氧銫與鉍銀氧銫光陰極銀氧銫(Ag-O-Cs)陰極是最早使用的高效光陰極。它的特點是對近紅外輻射靈敏。制作過程是先在真空玻璃殼壁上涂上一層銀膜再通入氧氣，通過輝光放電使銀表面氧化，再引入銫蒸汽進行敏化處理，形成Ag-O-Cs薄膜。銀氧銫陰極的光譜響應(yīng)曲線如圖圖4-1所示，它有兩個峰值，一個在350nm處，一個在800nm處。光譜范圍在300nm到1200nm之間。量子效率不高，峰值處約0.5%～1%左右。使用溫度可達100℃，但暗電流較大，且隨溫度變化較快。4.2真空光電管與光電倍增管的工作原理

4.2.1真空光電管的原理真空光電管主要由光電陰極和陽極兩部分組成，管內(nèi)常被抽成真空而得名真空光電管。有時為了使某種性能提高，在管殼內(nèi)也充入低氣壓惰性氣體形成充氣型的光電管。無論真空型還是充氣型均屬于光電發(fā)射型器件，簡稱為光電管。工作原理電路如圖4-2所示，在陰極和陽極之間加有一定的電壓，建立電場。

1、真空型光電管的工作原理光透過真空光電管的入射到光電陰極面上，產(chǎn)生光電子發(fā)射，在陰極和陽極之間的電場作用下，光電子作加速運動，被高電位陽極收集，形成光電流，其大小取決于陰極靈敏度和輻射強度。

2、充氣型光電管的工作原理光生電子在電場的作用下運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，形成數(shù)倍于真空型光電管的光電流。4.2.2光電倍增管的原理

光電倍增管（Photo-multipletube簡稱為PMT）主要由光入射窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽極等組成。如圖4-3所示為光電倍增管原理示意圖。4.2.3光電倍增管的結(jié)構(gòu)PMT的入射窗結(jié)構(gòu)

2.倍增極結(jié)構(gòu)1）倍增極材料

銻化銫（CsSb）具有很好的二次電子發(fā)射功能，可以在較低電壓下產(chǎn)生較高的發(fā)射系數(shù)，電壓高于400V，δ值可高達10倍。

氧化的銀鎂合金也具有二次電子發(fā)射功能，它與銻化銫相比二次電子發(fā)射能力稍差，可以工作在較強電流和較高溫度（150℃）。

銅-鈹合金也具有二次電子發(fā)射功能，不過它的發(fā)射系數(shù)δ比銀鎂合金低。負電子親和勢材料GaP[Cs]，具有更高的二次電子發(fā)射功能，在電壓為1000V時，倍增系數(shù)可大于50或高達200。（2）

倍增極結(jié)構(gòu)

如圖4-4所示為PMT的幾種基本結(jié)構(gòu)（a）百葉窗式（b）盒柵式（c）靜電聚焦式（d）圓形鼠龍式4.3光電倍增管的基本特性

4.3.1靈敏度

1、陰極靈敏度

陰極電流Ik與光譜輻通量之比為陰極的光譜靈敏度，并記為陰極積分靈敏度為IK與光譜輻通量積分之比，記為Sk

2、陽極靈敏度

陽極電流Ia與入射光譜輻射通量之比為陽極的光譜靈敏度，并記為入射輻射為白光，則定義為陽極積分靈敏度，記為Sa

4.3.2電流放大倍數(shù)（增益）電流放大倍數(shù)表征PMT的內(nèi)增益特性，不但與倍增極材料的δ有關(guān)，而且與倍增級數(shù)N有關(guān)。理想PMT的增益G與電子發(fā)射系數(shù)δ的關(guān)系為G=δN考慮到光電陰極發(fā)出的電子被第1倍增極所收集，其收集系數(shù)為1，且每個倍增極都存在收集系數(shù)，因此，增益G應(yīng)修正為非聚焦型PMT的收集效率近似為90%，聚焦型還要高，但小于1；尤其陰極與第1倍增極之間有限束電極F情況下，其ηi≈η1≈1，可以計算出增益G。

PMT的δ可用經(jīng)驗公式計算，銻化銫（Cs3Sb）的δ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。銀鎂合金（AgMgO[Cs]）材料δ的經(jīng)驗公式

δ=0.025UDD上述兩種倍增材料的電流增益G與極間電壓UDD的有關(guān)。

可以得到：4.3.3暗電流在無輻射作用下的光電倍增管陽極電流稱為暗電流，記為ID。暗電流在正常應(yīng)用的情況下很小，一般在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：1.歐姆漏電指電極之間玻璃漏電、管座漏電和灰塵漏電等。通常比較穩(wěn)定，對噪聲的貢獻小。在低電壓工作時，為暗電流的主要部分。2.熱發(fā)射因陰極材料的光電發(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熱電子發(fā)射，并被電子倍增系統(tǒng)倍增。

降低TMP的溫度是減小熱發(fā)射暗電流的有效方法。3.殘余氣體放電

PMT中高速運動的電子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)在工作電壓高時特別嚴重，使倍增管工作不穩(wěn)定。4.場致發(fā)射

PMT在較高電壓下還會引起管內(nèi)電極尖端或棱角處場強太高而產(chǎn)生場致發(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

PMT在負高壓使用時，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場很強，尤其是屏蔽層與陰極間電場最強。在強電場下玻璃殼將會產(chǎn)生放電或出現(xiàn)玻璃熒光，會引起暗電流的增加，破壞信號。

因此，屏蔽殼與玻璃管壁之間的距離至少為10~20mm。4.3.4噪聲TMP噪聲主要由散粒噪聲和負載電阻熱噪聲組成。負載電阻熱噪聲為

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散粒噪聲電流將被逐級放大，每一級又都產(chǎn)生散粒噪聲。如第1級輸出的散粒噪聲電流為第2級的散粒噪聲電流為

第n級的散粒噪聲電流為

為簡化問題，設(shè)各倍增極的發(fā)射系數(shù)均相等，為δ，則TMP末倍增極輸出的散粒噪聲電流為

δ通常δ在3~6之間，接近于1，并且，δ越大，越接近于1。TMP散粒噪聲電流簡化為

總噪聲電流為設(shè)計TMP電路時，總力圖使負載電阻熱噪聲遠小于散粒噪聲＜＜設(shè)TMP增益G=104，Idk=10-14A，室溫300K下，只要Ra滿足

提高TMP增益G，降低Idk都會減少對Ra的要求，有利于TMP的時間響應(yīng)。4.3.5伏安特性1.陰極伏安特性當(dāng)入射TMP陰極面光通量一定時，陰極電流Ik與陰極和第一倍增極之間電壓Uk的關(guān)系曲線稱為陰極伏安特性。

圖4-6為不同光通量下測得的陰極伏安特性。圖中，Uk較小時電流Ik隨Uk的增大而增加，直到Uk大于一定值后，Ik趨向飽和，且與入射光通量φk成線性關(guān)系。

2.陽極伏安特性

當(dāng)入射到TMP陰極面上的光通量一定時，陽極電流Ia與陽極和末級倍增極之間電壓Ua的關(guān)系曲線稱為陽極伏安特性，圖4-7為3組光通量不同的伏安特性曲線。

陽極電壓增大到一定程度后，被增大的電子流已經(jīng)能夠完全被陽極收集，Ia與光通量φk成線性關(guān)系而與Ua值變化無關(guān)。4.3.6線性TMP的線性一般由它的陽極伏安特性表示，它是光電測量系統(tǒng)中的一個重要指標。

線性不僅與TMP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與供電電路及信號輸出電路等因素有關(guān)。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，TMP輸出信號電流在負