光电倍增管原理.ppt

光电技术基础光电技术基础光电倍增管光电倍增管1、光电发射和二次电子发射、光电发射和二次电子发射光电发射及其基本定律；光电发射及其基本定律；二次电子发射；二次电子发射；倍增极相关知识；倍增极相关知识；光电管光电管2、真空、充气光电管比较真空、充气光电管比较真空光电管真空光电管充气光电管充气光电管优优点点1.光电阴极面积大，暗电流小；光电阴极面积大，暗电流小；光照灵敏度高光照灵敏度高2.驰豫过程小。驰豫过程小。缺缺点点1.灵敏度低灵敏度低；1.稳定性差；稳定性差；2.体积大；体积大；2.线性度差；线性度差；3.玻璃体，易碎。玻璃体，易碎。4.和放大器配合使用受限和放大器配合使用受限3.噪声大；噪声大；4.响应时间长响应时间长3、光电倍增管、光电倍增管(PMT)利用利用外光电效应外光电效应和和二次电子发射二次电子发射相结合相结合即即把微弱的光输入转化为光电子，并把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子使光电子获得倍增获得倍增的一种光电探测器件。的一种光电探测器件。4、光电倍增管光电倍增管优缺优缺点点放大倍数很高，用于探测微弱信号；放大倍数很高，用于探测微弱信号；光电特性的线性关系好光电特性的线性关系好；工作频率高工作频率高；性能稳定，使用方便性能稳定，使用方便；供电电压高；供电电压高；玻璃外壳，抗震性差；玻璃外壳，抗震性差；价格昂贵，体积大；价格昂贵，体积大；光电倍增管光电倍增管一、光电倍增管组成及工作原理一、光电倍增管组成及工作原理光电倍增管组成光电倍增管组成光窗（光窗（Inputwindow)光电阴极光电阴极(Photocathode)电子光学系统电子光学系统电子倍增系统电子倍增系统(Dynodes)阳极阳极(Anode)光电倍增管组成光电倍增管组成（1）光电倍增管工作原理）光电倍增管工作原理光电倍增管（光电倍增管（PMT）是利用外光电效应）是利用外光电效应制成的一种光电探测器件。其光电转换制成的一种光电探测器件。其光电转换分为分为光电发射光电发射和和电子倍增电子倍增两个过程。其两个过程。其工作原理如下图示。工作原理如下图示。、（2）光电倍增管工作原理）光电倍增管工作原理原理图原理图（3）光电倍增管工作过程）光电倍增管工作过程（4）供电原理图）供电原理图原理图原理图（4）供电原理图）供电原理图二、光电倍增管分类二、光电倍增管分类1.按进光方式按进光方式：A侧窗式侧窗式B端窗式；端窗式；2.电极工作方式电极工作方式：A透射式透射式B反射式；反射式；3.倍增极数目倍增极数目：A单极单极B多极；多极；4.倍增极系统结构倍增极系统结构：A盒状盒状B圆笼式圆笼式C百叶窗式百叶窗式D直线瓦片式；直线瓦片式；5.光电阴极材料光电阴极材料：CsSb、Ag-O-Cs、碱、碱三、光电倍增管具体结构三、光电倍增管具体结构1、光电阴极、光电阴极(Photocathode)把光电发射体镀在金属或透明材料把光电发射体镀在金属或透明材料（玻璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极。（玻璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极。（1）结构）结构（2）常用材料）常用材料：Ag-O-Cs：近红外唯一具有使用价值的阴极：近红外唯一具有使用价值的阴极材料；材料；CsSb：可见、紫外区有较高的响应率：可见、紫外区有较高的响应率;多碱光电阴极多碱光电阴极（双、三、四（双、三、四碱）；碱）；光电倍增管具体结构光电倍增管具体结构2、电子光学系统、电子光学系统是指是指光电阴极光电阴极至至第一倍增极之第一倍增极之间间的区域。的区域。电子光学系统在结构上主要由电子光学系统在结构上主要由聚焦电极聚焦电极和和偏转电极偏转电极组成组成对电子光学系统要求对电子光学系统要求要求：要求：（1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增极的有效区域内；一倍增极的有效区域内；（2）光电阴极各部分发射的）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增极所光电子到达第一倍增极所经历的时间尽可能一致。经历的时间尽可能一致。3、倍增系统、倍增系统（Dynodes）倍增系统：是指由各倍增极构成的综合倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由系统，各倍增极都是由二次电子发射体二次电子发射体构成。构成。要求：要求：二次电子发射系数要大二次电子发射系数要大 倍增极分类倍增极分类：非聚焦型非聚焦型只加速只加速聚聚焦焦型型加速聚焦加速聚焦各种倍增极的结构形式各种倍增极的结构形式 a)百叶窗式百叶窗式b)盒栅式盒栅式c)直瓦片式直瓦片式d)圆瓦片式圆瓦片式倍增系统分类倍增系统分类百叶窗式百叶窗式 百叶窗式百叶窗式倍增系统分类倍增系统分类盒栅式盒栅式盒栅式盒栅式 倍增系统分类倍增系统分类直线瓦片式直线瓦片式直线瓦片式直线瓦片式 倍增系统分类倍增系统分类鼠笼式鼠笼式鼠笼式鼠笼式倍倍 增增 极极结构形式结构形式特特 点点聚聚焦焦型型直瓦直瓦片式片式极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可能能积累电荷积累电荷而影响电子光学系统的稳定性而影响电子光学系统的稳定性圆瓦圆瓦片式片式结构紧凑，体积小，但结构紧凑，体积小，但灵敏度灵敏度的均匀性差的均匀性差些。些。非非聚聚焦焦型型百叶百叶窗式窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有的电子可能越级穿过，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡收集率较低，渡越时间零散较大越时间零散较大。盒栅盒栅式式收集率较高（可达收集率较高（可达95%），结构紧凑，但），结构紧凑，但极间电子极间电子渡越时间零散较大渡越时间零散较大。4、阳极、阳极阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。一级倍增极发射出来的电子。阳极结构示意图阳极结构示意图 要求：要求：接收性能良好，尽可能多的收集电子，接收性能良好，尽可能多的收集电子，工作在较大电流时，不至于产生工作在较大电流时，不至于产生空间电荷效空间电荷效应。应。输出电容要小输出电容要小光电倍增管的主要参量与特性光电倍增管的主要参量与特性光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质量好坏的基本依据。量好坏的基本依据。基本参数（静态参数）基本参数（静态参数）应用参数（动态参数）应用参数（动态参数）运行特性（例行特性）运行特性（例行特性）光电倍增管使用注意要点光电倍增管使用注意要点不宜用强光，容易引起疲劳不宜用强光，容易引起疲劳额定电压和电流内工作额定电压和电流内工作入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应电场屏蔽和磁屏蔽电场屏蔽和磁屏蔽测交变光时，负载电阻不宜过大测交变光时，负载电阻不宜过大光电倍增管应用中注意的几个问题光电倍增管应用中注意的几个问题:（一）光电倍增管型号的选择：（一）光电倍增管型号的选择：（二）对高压电源的考虑：（二）对高压电源的考虑：（1）负高压电源）负高压电源（2）正高压电源）正高压电源（3）倍增极为信号输出极）倍增极为信号输出极（三）分压器的设计原则：（三）分压器的设计原则：（1）阴极与第一倍增极间）阴极与第一倍增极间（2）中间倍增极）中间倍增极（3）末级倍增极）末级倍增极几种新型的光电倍增管几种新型的光电倍增管（1）MCP倍增器多阳极倍增管：倍增器多阳极倍增管：（2）最小的超小型光电倍增管）最小的超小型光电倍增管小结小结光电倍增管优缺点光电倍增管优缺点光电倍增管组成及工作原理光电倍增管组成及工作原理光电倍增管工作过程光电倍增管工作过程光电倍增管具体结构光电倍增管具体结构光电倍增管使用注意要点光电倍增管使用注意要点光电倍增管应用中注意的几个问题光电倍增管应用中注意的几个问题几种新型的光电倍增管几种新型的光电倍增管随堂小测试随堂小测试试推导公式：试推导公式：在光电倍增管供电原理图中，为什么要在最后几级在光电倍增管供电原理图中，为什么要在最后几级分压电阻上并联电容器？（图见下一页）分压电阻上并联电容器？（图见下一页）