改 4真空光电器件

Photoemissivedetector,简称PE探测器光电管：光电倍增管：被半导体光电器件取代极高灵敏度～106快速响应～pS应用：微弱光信号、快速脉冲弱光信号第04章真空光电器件4.1光电阴极4.2光电管和光电倍增管工作原理4.3光电倍增管的主要特性参数4.4光电倍增管的供电和信号输出电路第04章真空光电器件4.1光电阴极光电子发射探测器中的光电子发射材料－－称为光电阴极光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能1、光电阴极的主要参数灵敏度光谱响应曲线热电子发射量子效率（产额）灵敏度光照灵敏度（白光灵敏度）阴极光电流与入射白光光通量之比。色光灵敏度特定波长区的阴极电流与入射色光光通量之比。根据波长区不同，有蓝白、红白和红外白比。光谱灵敏度单色光对应的阴极光电流与单色辐射通量之比。量子效率（产额）阴极发射的光电子数与入射的光子数之比。它和光谱灵敏度是一种物理量的两种 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示光谱响应曲线光谱灵敏度或量子效率与入射波长的关系曲线热电子发射少数电子的热能大于逸出功，因而产生热电子发射。引起暗电流，限制灵敏度极限。常用的光电阴极材料反射系数大、吸收系数小、碰撞损失能量大、逸出功大光吸收系数大得多，量子效率比金属大得多金属：半导体：常规光电阴极负电子亲和势阴极半导体材料广泛用作光电阴极2、常规光电阴极（1）Ag－O－Cs材料：（2）单碱锑化物：（3）多碱锑化物：最早的光电阴极主要应用于近红外探测CsSb阴极最为常用紫外和可见光区的灵敏度最高Na－K－Sb－Cs最实用的光电阴极材料，高灵敏度、宽光谱(紫外—近红外)光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵敏，而对可见光无响应，这种阴极通常称为“日盲”型光电阴极。“日盲”型光电阴极实用的两种：碲化铯(CsTe)－－长波限为0.32μm碘化铯(Csl)－－长波限为0.2μm。响应范围(100—280nm)（4）紫外光电阴极：太阳光中的紫外光大气中的氧和臭氧层中紫外（0.2~0.3μm）完全吸收－“日盲”区近紫外（0.3~0.4μm）透过最多，均匀分布“窗口”区军事攻击目标〔如飞机的尾焰)的紫外辐射强军事攻击目标挡住太阳紫外光，形成“暗点”在均匀的紫外光背景之上近紫外光电阴极“日盲”型光电阴极军事应用举例3.负电子亲和势阴极NegativeElectronAffinity，简称NEA电子亲和势EA真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势电子亲和势越小，材料发射光电子的能力越强。真空能级低于导带底能级？？？负电子亲和势材料负电子亲和势材料结构、原理重掺杂的P型硅表面涂极薄的金属Cs，经过处理形成N型的Cs2O。以Si-Cs2O光电阴极为例Cs2OSiPNP型Si的电子亲和势:N型Cs2O电子亲和势:EA1=E0-EC1>0EA2=E0-EC2>0Cs2OSiPN体内原子由于壳层的交叠没有真空能级的空间表面原子的真空能级决定逸出功体内有效电子亲和势:EAe=E0-EC1<0Cs2OSiPN光照体内价带上电子体内导带上电子（热电子）表面冷电子逸出晶格碰撞Cs2OSiNEA的优点：量子效率高光谱响应延伸到红外区、响应均匀光电子能量集中暗电流极小量子效率高表面真空能级低于体内导带能级底冷电子也能溢出量子效率高正电子亲和势材料负电子亲和势材料逸出深度几十nm逸出深度数um光谱响应延伸到红外区正电子亲和势材料负电子亲和势材料光电子能量集中逸出电子基本上都是体内导带低的冷电子,能量集中优点:出射电子轨迹容易控制,如用于成像器件成象器件中分辨率极高光照体内价带上电子体内导带上电子（热电子）冷电子(体内导带低）逸出表面晶格碰撞表面能量大于表面真空能级暗电流极小与光谱响应范围类似的正电子亲和势材料相比，负电子亲和势材料的禁带宽度要宽,在常温以及没有强电场情况下热电子发射率较小4.1光电阴极4.2光电管和光电倍增管的工作原理4.3光电倍增管的主要特性参数4.4光电倍增管的供电和信号输出电路第04章真空光电器件4.2光电管和光电倍增管的工作原理4.2.1光电管这类管子体积较大，工作电压高达百伏到数百伏，玻璃外壳容易破碎，无明显优点.它的一般应用目前已基本被半导体光电器件代替。4.2.2光电倍增管Photomultiplier,简称PMT4.2.2光电倍增管Photomultiplier,简称PMT结构：光窗光电阴极电子光学系统电子倍增系统阳极长波限由光电阴极决定；短波限由窗口材料决定PMT电流走向示意图电阻分压链供电二次电子发射材料一次电子二次电子二次电子发射系数：电子倍增极－－由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键部分作用－－倍增10-15级倍增极二次电子发射系数：二次发射系数与一次电子能量关系增大Ep，δ值反而下降δ随Ep增大而增大原因一次电子能量过大,电子穿透材料的有效深度增加;尽管激发的内二次电子增多,但许多深层内二次电子在逸出过程中,由于碰撞散射而损失能量,结果不能逸出,反而使δ减小不同材料δm金属：0.5～1.8半导体和介质：5～6负电子亲和势材料：500~Epmax约为100～1800eV4.1光电阴极4.2光电管和光电倍增管的结构原理4.3光电倍增管的主要特性参数4.4光电倍增管的工作电路第04章真空光电器件4.3光电倍增管的主要特性参数1．灵敏度2．放大倍数3．暗电流4．噪声5．伏安特性6．线性7．稳定性8．时间响应9．磁场特性10．空间均匀性11．偏振效益阴极光照灵敏度1.灵敏度阴极灵敏度测试图定义:A光源照射，阴极光电流与入射的光通量之比阳极光照灵敏度阳极灵敏度测试图定义:A光源照射，阳极光电流与入射的光通量之比环境温度对光谱响应影响大科122．放大倍数在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极信号电流和阴极信号电流之比称为管子的放大倍数若管子有几级倍增级，假设阳极电子的收集率为1若各级倍增极的电子收集率和二次电子发射系数均相等放大倍数的稳定性：一般n＝9～12如M测量精度要求1%，U稳定度得到0.1%。U为总供电电压Ud为一次电子加速电压C为常数k=0.7-0.8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(尖端放电)暗电流与电压的关系减小暗电流 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 3．暗电流热电子发射光电阴极和前极倍增极热电子发射在热发射电流中起主要作用（因要经后面的倍增极放大）降低温度是降低热发射电流的有效方法极间漏电流光电倍增管内支撑电极的绝缘体(如陶瓷片、玻璃元件和芯件等）在高压下的欧姆漏电。加上玻壳表面沾污和受潮时也会引起漏电残余气体的离子发射残余气体被阳极附近较高密度的电流轰击电离出正离子，它们被电场加速后，轰击阴极和前几级倍增极而产生二次电子发射，引起很大的输出噪声脉冲玻璃闪烁部分电子偏离正常轨迹打倒管壁上时会出现闪烁现象,引起暗电流脉冲。解决办法：管壳为0电位，只有阴极接地，阳极高压才不会使管壳与阴极有较大的电位差。虽然这样做会使靠近阳极的倍增极和管壳有很大的电位差，但由此产生的玻璃闪烁暗电流很小（不会被放大)场致发射(尖端放电)工作电压较高时,逸出功较小的电极其表面在强电场下亦会发出电子,引起暗电流脉冲。暗电流与电压的关系A段:主要是漏电流B段:主要是热电子发射C段:场效发射和残余气体的离子发射管子一般工作在B段，暗电流不至太大，信号电流增益也能得到放大信号电流减小暗电流方法直流补偿选频和锁相放大致冷电磁屏蔽磁场散焦法直流补偿选频和锁相放大调制入射光加选频(LC并联谐振电路)或锁相放大器（极窄的带通滤波，频率的自动跟踪能力）致冷热电子发射是暗电流的主要成分。半导体制冷器件可致冷到：-20度~-30度制冷时必须注意以下几个问题光谱响应随温度而变，所以定标和测量时，PMT温度必需一样改变光电阴极电阻（负电阻温度系数）从而改变其电位分布，进而影响电子光学系统收集率致冷导致水汽，散射入射光线，引起高压漏电过冷会损坏阴极，使封结处裂开电磁屏蔽装在高导磁率的金属圆筒中，这能有效地防止周围电磁场干扰磁场散焦法入射光束变窄，用磁场散射未被照射的阴极部位暗电流跟踪入射光束位置，移动有效阴极面积至光照位置，再用散焦法减小非有效面积处暗电流4．噪声散粒噪声+闪烁噪声+负载电阻热噪声阳极散粒噪声散粒噪声阴极散粒噪声δ为倍增系数，B一般在0.5-2间取值闪烁噪声由光电阴极发射的偶然起伏和倍增极材料的变化引起，是一种1/f噪声。通过提高辐射的调制频率和减小通频带降低及消除该类噪声负载电阻热噪声主要来自负载电阻或运算放大器的反馈电阻和运算放大器的输入电阻总噪声（略去闪烁噪声）如果M很大，放大器电阻热噪声又很小信噪比（略去闪烁噪声）噪声等效功率PMT－－10-15～10-16W/cm.Hz1/2PINPD－－10-14W/cm.Hz1/2APD－－10-15W/cm.Hz1/2等效噪声等效功率5．伏安特性阴极伏安特性：当入射光通量一定时,阴极光电流与阴极和第一倍增极之间电压(称为阴极电压Vk)的关系阴极电压大到由阴极发射的电子全部被阳极收集到时，阴极电流呈饱和趋势阳极伏安特性：当入射光通量一定时,阳极光电流与最后一级倍增极和阳极间的电压(称为阳极电压Vp)的关系交流微变等效电路恒流源－－计算和分析方法相同6．线性阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。（1）弱光，例如光谱仪，开狭缝（2）线性，用于模拟量测量时重要影响线性的原因有两点：内因-----空间电荷、光电阴极的电阻率、聚集或收集效率的变化；外因-----由于信号电流造成负载电阻的负反馈和电压的再分配。空间电荷——靠近阳极，空间的电子浓度很大，对于后来射出来的的电子有排斥作用，为了降低空间电荷效应影响，在电荷密度较高的后几个倍增极和阳极上所加的电压应适当地提高，增强后几个倍增极和阳极的电压梯度。阴极电阻——阴极只有小部分被照射时，未照射部分会像串联电阻那样起作用，在阴极表面引起电位差，于是降低了被照射区和第一倍增极间的电压倍增极收集效率——不同倍增极结构，具有不同收集效率，对线性影响大负载电阻——当电流流过负载电阻时，产生的压降使得阳极电压降低，易引起阳极的空间电荷效应，为防止负载电阻引起的非线性，可采用运算放大器作为电流电压的转换器，使有效的负载电阻很小电阻链电压的再分配——光电流使得接近阴极的各级间电压增加，靠近阳极的极间电压降低，使光电倍增管增益增加，当光电流进一步增加，阳极和最末极电压接近零，阳极输出电流趋向饱和7.稳定性在长期的工作过程中，灵敏度的慢漂移。主要是由于最后几级倍增极受大量电子轰击而受损，它取决于阳极电流的大小，与高压无关。滞后效应：在光电倍增管加上电压或开始光照的短时间内，阳极输出电流存在短暂的不稳定，这种不稳定称滞后效应。主要由于电子偏离 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 的轨迹以及倍增管的陶瓷支架和玻璃壳等静电作用引起的。8.时间特性器件时间特性(单位：ns)～1060～7百叶窗型～1057～70～7盒栅型3.6313.4环形聚焦型0.37～1.11.3～50.7～3直线聚焦型渡越时间散差渡越时间上升时间结构外电路时间特性(单位：ns)影响频率特性当电路时间常数较大，倍增管的上限截止频率：倍增管的响应时间输出电路的时间常数9.磁场特性光电子在磁场作用下偏离正常运动轨迹，引起PMT灵敏度下降，噪声增加为减小磁场影响，一般在管子外面加磁屏蔽筒，筒至少比管长2R10.空间均匀性定义：由于光电阴极表面均匀性和倍增极的结构影响，使级间收集效率随发射光电子的光电阴极位置变化，从而影响管的空间均匀性。11.偏振效应入射光偏振方向改变时，阳极电流响应变化的现象。安装漫反射器以减小这种误差科134.1光电阴极4.2光电管和光电倍增管的结构原理4.3光电倍增管的主要特性参数4.4光电倍增管的工作电路第04章真空光电器件4.4光电倍增管的工作电路－－是保证其正常工作的必要条件，在常用的光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。工作电路：高压供电电路信号输出电路电阻及齐纳管分压接地方式线性供电方式电阻及齐纳管分压总电压UAK在1000～1500V之间，倍增极极间电压UD在80～100V之间实例：说明：i.第一级对阴极电流形成影响最大,高出20~30Vii.中间级均匀分配iii.最后一级,要高,克服空间电荷区的影响.确定分压电阻电阻分压齐纳管稳压并联电容降低齐纳管噪声齐纳管分压缺点：暗电流和噪声大。优点：暗电流小，噪声低阳极接地（负高压接法）阴极接地(正高压接法)优点：便于与后面放大器相连，操作安全缺点：高压不利于安全操作；接耐压很高的隔直电容器。接地方式线性供电方式—直流信号B段：光电流增大，阳极和后几极极间电压下降，阴极和前几极极间电压上升，放大倍数增加C段：光电流很大，阳极和后几极极间电压下降到影响收集率，阳极电流趋向饱和电压再分配降低非线性方法分压链电流远大于光电流(100倍---1%非线性)齐纳管分压ABC光通量阳极电流线性供电方式—脉冲信号探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳－－最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。C2、C3？？？此时I为该倍增极上电流，一般取为1/2-1/3IA并联电容的数值取决于输出信号的电荷量，如要求线性优于1%，则有：信号输出电路－－交流微变等效电路电流源信号输出电路－－用负载电阻实现I/V转换：用运算放大器实现I/V转换：1.良好的线性2.良好频率响应特性3.转换效率高较大的负载电阻1.频率响应变差2.饱和引起非线性负载电阻太大，阳极电压降低光电倍增管应用举例闪烁计数器——探测射线粒子的一种方法：闪烁晶体（NaI）+光电倍增管光电倍增管应用举例闪烁计数器：闪烁晶体（NaI）+光电倍增管PET系统患者注入放射性物质，放射正电子，同周围的电子结合淬灭，射出511kev的γ射线,由探测器接收，可确定体内淬灭电子位置，得到CT像。光电倍增管应用举例光电倍增管应用举例PET扫描图像显示了许多疾病的早期征兆