光电检测技术—第五章

null第五章 光电发射器件第五章 光电发射器件第五章 光电发射器件第五章 光电发射器件掌握 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 光电检测技术中常用的光电发射器件原理和特性。 理解内容 光电倍增管的输入输出电路 了解内容 光电倍增管的特性和其他光电发射器件 第五章 光电发射器件第五章 光电发射器件5.1 光电发射效应 5.2 光电管 5.3 光电倍增管 5.4 各种光电探测器件的性能比较和应用选择 5.1 光电发射（外光电）效应5.1 光电发射（外光电）效应光电发射效应 当光照射到某种物质时，若入射的光子能量hν足够大，它和物质中的电子相互作用，可致使电子逸出物质表面，在空间电场的作用下会形成电流，这种现象呈光电发射效应，也成外光电效应。 真空光电器件光电阴极工作的物理基础5.1 光电发射（外光电）效应5.1 光电发射（外光电）效应光电发射基本过程 对光子的吸收；光电子向表面的运动；克服表面势垒逸出材料表面。 基本条件 对光的吸收系数大；能量损失小；逸出功要小；要有一定的电导率。5.1 光电发射（外光电）效应5.1 光电发射（外光电）效应两个基本定律 当入射辐射的光谱分布不变时，饱和光电流I与入射的辐通量成正比。 发射的光电子的最大动能随入射光子光频率的增加而线性地增加，而与人射光的强度无关。5.1 光电发射（外光电）效应5.1 光电发射（外光电）效应图5－1 光电子发射过程 (a)金属光电子发射体 (b)具有正电子亲和势的半导体光电子发射体 (c) 具有负电子亲和势的半导体光电子发射体 5.1 光电发射（外光电）效应5.1 光电发射（外光电）效应半导体的光电发射 可用电子亲和势描述。 EA=E0-EC 正电子亲和势半导体 负电子亲和势半导体5.2 光电管5.2 光电管当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。 电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。5.2 光电管5.2 光电管5.2 光电管5.2 光电管5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪音小。它们都由光电阴极、阳极和真空管壳组成，是一种电流放大器件。 尤其是光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测；它的缺点是结构复杂，工作电压高．体积较大；一系列型号的光电管和光电倍增管，覆盖了从近紫外光到近红外光的整个光谱区。 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管结构 光电倍增管内电子的倍增主要靠选择良好的倍增极的材料、对倍增极材料要求具有耐撞击、稳定性好、使用温度高等特点。 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管图 几种常见光电倍增管的结构 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管光入射窗口 入射光的通道 端窗式、侧窗式 短波阈值取决于光窗材料 光电阴极 接收入射光，向外发射光电子 半球状、反射型 长波阈值取决于光电阴极材料 电子光学系统 使下一级的收集率接近于1 渡越时间零散最小5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管倍增系统 许多倍增极组合而成的综合体 用于将以一定动能入射来的电子（或称光电子）增大δ倍（ δ>1） 聚焦型、非聚焦型 阳极 收集最末一级倍增极发射出来的电子，并输出电信号 栅网状5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管图 几种光电倍增管的外形 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管工作原理 光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管工作过程 光子入射在光电阴极上 电子受光子激发，生成光电子 电子倍增 阳极收集电子，形成阳极光电流 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管主要特性参数 灵敏度、放大倍数 光谱响应度、暗电流 时间响应、噪声 伏安特性、线性 稳定性、疲劳与衰老5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管主要特性参数 1、灵敏度 衡量光电倍增管质量的一个重要参数 阴极灵敏度和阳极灵敏度 光谱灵敏度和积分灵敏度5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管2、放大倍数（电流增益） A=IP / IK 定义为同样入射光通量下阳极电流与阴极电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比。 A与倍增极的电子收集率、二次电子发射系数、级数有关。 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管3、光谱响应度 光电倍增管的光谱响应度曲线就是光电阴极的光谱响应度曲线：它主要取决于光电阴极的材料。5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管4、暗电流 指在施加 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流。 暗电流决定光电倍增管的极限灵敏度。 暗电流主要由热电子发射、极间漏电流、残余气体的离子发射、玻璃闪烁、场致发射等组成。 暗电流的产生与电源电压有密切关系。 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管5、时间响应 响应时间 渡越时间 渡越时间分散(散差) 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管6、噪声 主要有热噪声、闪烁噪声、散粒噪声及低频噪声等。其中起主导作用的是散粒噪声。 7、伏安特性 分为阴极和阳极伏安特性5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管8、线性 表示它的光电特性，是光电测量系统中的一个重要指标。 不仅与光电倍增管的结构有关，很大程度上还取决于外部的高压供电电路及信号输出电路。 产生非线性的因素有： 内因、外因5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管9、稳定性 主要是指阳极电流随工作时间的变化。 主要表现在两方面： 在长期工作过程中，灵敏度的慢漂移。 滞后效应 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管10、疲劳与衰老 在较强辐射作用下，倍增管灵敏度下降的现象称为疲劳。这是暂时的现象。 光电倍增管在正常使用的情况下，随着工作时间的积累，灵敏度也会逐渐下降，且不能恢复，将这种现象称为衰老。5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管供电电路 光电倍增管有灵敏度高、增益大、动态响应快等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为首选的光电探测器。 工作特性与它的工作电路密切相关，工作电路的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 必须保证输出电流与入射光通量之间呈线性关系。 正确使用光电倍增管的关键是供电电路的设计。5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管供电电路 高压供电5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管阴极接地 便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好，暗电流小，噪声低。但这时阳极要处于正高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般耐压很高的电容器体积大而且价格高。5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管阳极接地 便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以通过一个低电压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接。但这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能与阴极靠得很近，至少要间隔1~2cm，因此，屏蔽效果差一些，暗电流和噪声都比阴极接地时大，而且整个倍增管装置的体积也要大些。5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管信号输出 负载电阻输出5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管信号输出 负载电阻选择： 在频响要求比较高的场合，负载电阻应尽可能小一些。 当输出信号的线性要求较高时，选择的负载电阻应使信号电流在它上面产生的压降在几付以下。 负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多。 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管运算放大器输出5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管光电倍增管的选择 一般应考虑所选管型与待测光的光谱响应应一致，因此选择适当的光阴极是主要的； 对低能和弱光的探测应采用阴极灵敏度高与暗电流小、噪声低的管子； 阴极尺寸的选择取决于光信号照射到阴极上的面积，光束窄可选用小阴汲直径的管子，通常阴极大小决定于光电倍增管的大小； 阳极灵敏度的确定是根据入射到光电阴极的光通量和需要输出的信号大小估算而得； 除此之外还应考虑耐震、高温等条件。 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管使用注意事项 阳极电流应不超过1uA，可以减缓疲劳和老化效应，减少负载电阻反馈和分压器电压再分配效应。 电压分压器中流过的电流至少应大于期望的最大阳极电流1000倍，即1mA，但是不必过分加大，以免发热。 高压电源的稳定性必须为所需测量精度的10倍左右，对电压的纹波系数也应有所规定，一般应小于0.001%。 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管使用注意事项 阴极和第一倍增级，以及末级倍增级和阳极之间的级间电压应设计得与总电压无关。 光电倍增管输出信号采用运算放大器作电流电压变换，以获得高的信噪比和好的线性。 应采取电磁屏蔽，最好使屏蔽筒与阴极处于相同电位。 光电倍增管应储存在黑暗中，使用前最好先接通高压电源，在黑暗中存放几小时。 测量很弱的辐射时，光电倍增管的冷却温度一般取-2摄氏度。 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管使用注意事项 最好在光电阴极前放置优质的漫射器，可减少因光阴极区域灵敏度不同而引起的误差。 为得到最稳定的相对光谱灵敏度，光电倍增管应让其自然老化数年。 制造厂、参考书所提供的数据均是典型值，光电倍增管参数的离散性很大，要获得确切的数据，只能逐个测定。 5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管应用 光子计数器5.3 光电倍增管5.3 光电倍增管应用 光谱探测领域5.4 各种光电探测器件的性能比较和应用选择5.4 各种光电探测器件的性能比较和应用选择一、接收光信号的方式 1、判断光信号的有无 2、光信号按一定调制频率交替变化 3、检测光信号的幅度大小 4、光信号的色度差异 5.4 各种光电探测器件的性能比较和应用选择5.4 各种光电探测器件的性能比较和应用选择二、各种光电探测器件的性能比较 5.4 各种光电探测器件的性能比较和应用选择5.4 各种光电探测器件的性能比较和应用选择三、光电检测器件的应用选择 和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配 光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配 响应特性必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配 和输入电路及后续电路在电特性上相互匹配 选好器件的规格和使用的环境条件