光電子器件-第三章光電陰極與光電倍增管

第三章光電陰極與光電倍增管3.1、光電管及其基本特性利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。光電管的結(jié)構(gòu)示意圖光陽極光電陰極光窗1.結(jié)構(gòu)與工作原理光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。

光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測率和溫度特性來描述。（1）光電管的伏安特性2.主要性能在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。圖4.2-2光電管的伏安特性5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012陽極與末級(jí)倍增極間的電壓/VIA/μA光電管的伏安特性比較（2）

光電管的光照特性通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51（3）光電管的光譜特性不同光電陰極材料的光電管，對(duì)同一波長的光有不同的靈敏度；同一種陰極材料的光電管對(duì)于不同波長的光的靈敏度也不同，這就是光電管的光譜特性。曲線1、2分別為銫陰極、銻銫陰極對(duì)應(yīng)不同波長光線的靈敏度，3為多種成分（銻、鉀、鈉、銫等）陰極的光譜特性曲線由于光陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率υ0，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率υ0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會(huì)不同，即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對(duì)各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。國產(chǎn)GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。其紅限λ0=7000?，它對(duì)可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率：25%~30%。它適用于白光光源，因而被廣泛地應(yīng)用于各種光電式自動(dòng)檢測儀表中。對(duì)紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。對(duì)紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為3000~8500?，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，因而在測量和控制技術(shù)中，這些光電管可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。一般充氣光電管當(dāng)入射光頻率大于8000Hz時(shí)，光電流將有下降趨勢(shì)，頻率愈高，下降得愈多。3.2光電倍增管

一、組成光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極五個(gè)主要部分組成。1．光窗光窗分側(cè)窗式和端窗式兩種，它是入射光的通道。一般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。由于光窗對(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。2．光電陰極

光電陰極多是由化合物半導(dǎo)體材料制作，它接收入射光，向外發(fā)射光電子。所以倍增管光譜特性的長波閾值決定于光電陰極材料，同時(shí)對(duì)整管靈敏度也起著決定性作用。3．電子光學(xué)系統(tǒng)

電子光學(xué)系統(tǒng)是適當(dāng)設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)，使前一級(jí)發(fā)射出來的電子盡可能沒有散失地落到下一個(gè)倍增極上，也就是使下一級(jí)的收集率接近于1；并使前一級(jí)各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級(jí)上所經(jīng)歷的時(shí)間盡可能相同，即渡越時(shí)間零散最小。4．倍增系統(tǒng)右圖所示為各種倍增極的結(jié)構(gòu)形式。其中a)百葉窗式b)盒柵式c)直瓦片式d)圓瓦片式

倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個(gè)倍增極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。因此倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關(guān)鍵的部分。

5．陽極

陽極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于靠近最末一級(jí)倍增極附近，用來收集最末一級(jí)倍增極發(fā)射出來的電子。

二、光電倍增管及其基本特性

當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾μA，很不容易探測。這時(shí)常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大，下圖為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。1.結(jié)構(gòu)和工作原理由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級(jí)；陽極是最后用來收集電子入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105~106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。（1）倍增系數(shù)M

倍增系數(shù)M等于n個(gè)倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ的乘積。如果n個(gè)倍增電極的δ都相同，則M=因此，陽極電流I為

I=i·

i—光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)β為

β=I/i=M與所加電壓有關(guān)，M在105~108之間，穩(wěn)定性為1％左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1％以內(nèi)。如果有波動(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。對(duì)所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而減小測量誤差。2.主要參數(shù)

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106255075100125極間電壓/V放大倍數(shù)光電倍增管的特性曲線（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。光電倍增管的電流放大倍數(shù)為如果n個(gè)倍增電極二次發(fā)射電子的數(shù)目相同,則Ｍ＝δin因此陽極電流為Ｉ＝i·δin,M與所加的電壓有關(guān)。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。1.倍增系數(shù)M：等于各個(gè)倍增電極的2次發(fā)射電子數(shù)δi

的乘積。一個(gè)光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度.(2)光電陰極靈敏度和光電管的總靈敏度最大靈敏度可達(dá)10A/lm不能受強(qiáng)光照射。圖7-7光電倍增管的特性曲線255075100125106極間電壓/V倍增系數(shù)M105104103（3）暗電流和本底脈沖一般在使用光電倍增管時(shí)，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對(duì)入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通常可以用補(bǔ)償電路消除。如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。

光電倍增管的光照特性與直線最大偏離是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA處飽和10－1410－1010－610－2光通量/1m陽極電流/A（4）光電倍增管的光譜特性

光譜特性反應(yīng)了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個(gè)關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT

由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成陰極由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達(dá)30級(jí)。通常為12~14級(jí)。

使用時(shí)在各個(gè)倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場。光電倍增管及其基本特性6、光電倍增管工作原理…..…..入射光陰極K第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽極A國產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)鼠標(biāo)原理分析

根據(jù)工作原理，鼠標(biāo)大致可以分為機(jī)械式、光學(xué)機(jī)械式、光電式以及軌跡球、無線等類型。鼠標(biāo)雖然有很多種，當(dāng)然目前最多的是光學(xué)機(jī)械式的鼠標(biāo)了，簡稱為“光機(jī)鼠”。光機(jī)鼠的結(jié)構(gòu)：鼠標(biāo)內(nèi)有一個(gè)圓的實(shí)心的橡皮球，在它的上下方向和左右方向各有一個(gè)轉(zhuǎn)輪和它相接觸，這兩個(gè)轉(zhuǎn)輪各連接著一個(gè)光柵輪，光柵輪的兩側(cè)各有一個(gè)發(fā)光二級(jí)管和光敏三極管。要是不太清楚的話，拆開