光电技术PMT学习.pptx
2.光电发射第二定律光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：外光电效应发生的条件：n3.光电效应中有红限存在，即光电发射的 长波限为：第1页/共38页（三）光电发射的基本过程光电发射大致可分三个过程：1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出，形成光电子。第2页/共38页光电发射的基本过程第3页/共38页（四）相关材料特性1.良好光电发射材料的标准光吸收系数大,以便产生较多的受激电子；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其逸出深度大；表面势垒低，使表面逸出几率大；具有一定的电导率。因为电子出去以后，还要从外部电源补充电子。满足上述4点的材料就会得到较高的量子效率，是好的光电发射材料。第4页/共38页2.为什么纯金属不适合用作光电阴极材料？金属材料是否满足上述4点？其反射率为90%，吸收光能少；体内自由电子多，由于碰撞引起的能量散射损失大，逸出深度小；逸出功大（3eV），难逸出金属表面，量子效率低；光谱响应在紫外或远紫外区（红限不长于600nm），适于紫外灵敏的光电器件。第5页/共38页3.半导体作阴极的优点光吸收系数比金属大；体内自由电子少，光电子在运动过程中的能量损失小，故量子效率比金属大；价带中的电子浓度大，电子逸出功小；光发射波长延伸至可见光、近红外波段。70年代后期在半导体光电发射材料的基础上，发展了负电子亲和势光电阴极，长波可至1.6um。第6页/共38页EAEAEA N P本征半导体P型半导体N型半导体电子亲和势（EA）指导带底上的电子向真空逸出所需要 的能量。光电逸出功 指材料在绝对零度时光电子逸出表面所需的 最低能量。描述材料表面对电子束缚的强弱。第7页/共38页3.5.2 光电倍增管光电倍增管(PMT-Photo-multiple tube)n利用外光电效应和二次电子发射效应相结合，把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增获得倍增的一种真空光电探测器件，极大地提高了检测灵敏度。放大倍数很高，用于探测微弱信号；光电特性的线性关系好；工作频率高；性能稳定，使用方便；n供电电压高；n玻璃外壳，抗震性差；n价格昂贵，体积大；第8页/共38页一、光电倍增管的结构与原理n光窗（Input window)n光电阴极(Photo cathode)n电子光学系统n电子倍增系统(Dynodes)n阳极(Anode)第9页/共38页1、光窗入射光的通道；光窗材料决定了PMT光谱特性的短波阈值;PMT光谱特性的长波阈值由什么因素决定?光窗通常有侧窗和端窗两种类型；常用窗口材料有：硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、蓝宝石和氟化镁等；光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面,接收入射光,向外发射光电子。透射型透射型反射型反射型第10页/共38页2、光电阴极（1）结构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。（2）常用材料：Ag-O-Cs：近红外唯一具有使用价值的阴极材料；CsSb：可见、紫外区有较高的响应率;多碱光电阴极（双、三、四碱）；负电子亲和势材料第11页/共38页3、电子光学系统是指光电阴极至第一倍增极之间的区域。电子光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极组成电子光学系统的主要作用：（1）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；而将其它部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比。（2）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增极所经历的时间尽可能一致，保证PMT的快速响应。第12页/共38页倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由二次电子发射体构成。二次电子发射效应当有足够动能的电子轰击某种材料时,材料表面发射新的电子的现象。称入射电子为一次电子,从材料表面发射的电子为二次电子。用该材料的二次发射系数 表征材料发射电子的能力：4、电子倍增系统第13页/共38页二次电子发射的过程：a)材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态（二次电子）；b)体内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面运动；c)到达界面的二次电子中能量大于表面势垒的电子发射到真空中，成为二次电子。要求：二次电子发射系数要大 第14页/共38页倍增极材料I.主要是Ag-O-Cs、CsSb，灵敏的光电发射体一般也是良好的二次电子发射体；II.氧化物：MgO、BaO；III.合金型：银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等；IV.负电子亲合势材料；倍增极结构n根据电子的轨迹，倍增极可分为：非聚焦型只加速 如：盒栅式、百叶窗式 聚 焦 型加速聚焦 如：圆瓦片式（鼠笼式）、直线聚焦式第15页/共38页各种倍增极的结构形式a)百叶窗式b)盒栅式c)直瓦片式d)圆瓦片式第16页/共38页5、阳极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，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。阳极结构示意图n要求：接收性能良好，尽可能多的收集电子，工作在较大电流时，不至于产生空间电荷效应。输出电容要小第17页/共38页光电倍增管工作原理n光电倍增管（PMT）是利用外光电效应制成的一种光电探测器件。其光电转换分为光电发射和电子倍增两个过程。其工作原理如下图示。第18页/共38页二、二、光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性1.1.灵敏度灵敏度（1 1）阴极灵敏度 定义光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量之比为阴极的光谱灵敏度，并记为 若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，IK与光谱辐射通量的积分之比，记为Sk 第19页/共38页（2 2）阳极灵敏度 定义光电倍增管阳极输出电流I Ia a与入射光谱辐射通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为 若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa 第20页/共38页2.2.电流增益（放大倍数）电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性。理想光电倍增管的增益G与电子发射系数的关系为 对于锑化铯倍增极材料 对银镁合金材料 光电倍增管在电源电压确定后，电流放大倍数可以从定义出发，通过测量阳极电流Ia与阴极电流Ik确定。第21页/共38页3.光电特性在很宽的范围内是线性的，如图P121P121：图3.873.87。实际工作时，要求阳极输出电流不得超过额定值，一般在100100 A A以下，因此PMTPMT只适用于测量非常微弱的光信号。n4.光谱特性第22页/共38页5.伏安特性 当入射到光电倍增管阳极面上的光通量一定时，阳极电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压(简称为阳极电压Ua)的关系曲线称为阳极伏安特性，如图为3组不同强度的光通量的伏安特性。n6.频率特性：高达1MHz以上 当阳极电压增大到一定程度后，被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集，阳极电流Ia与入射到阴极面上的光通量成线性关系而与阳极电压的变化无关。第23页/共38页7.暗电流 光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为ID。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是很小的，一般为10-1610-10A，是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。暗电流限制了可测的直流光通量的最小值 影响暗电流的主要因素：1.欧姆漏电 2.热发射 3.残余气体放电4.场致发射 5.玻璃壳放电和玻璃荧光第24页/共38页8.疲劳与衰老 光电阴极材料和倍增极材料中一般都含有铯金属。当电子束较强时，电子束的碰撞会使倍增极和阴极板温度升高，铯金属蒸发，影响阴极和倍增极的电子发射能力，使灵敏度下降。甚至使光电倍增管的灵敏度完全丧失。因此，必须限制入射的光通量使光电倍增管的输出电流不得超过极限值IaM。为防止意外情况发生，应对光电倍增管进行过电流保护，阳极电流一旦超过设定值便自动关断供电电源。第25页/共38页三、光电倍增管的供电电路 光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应用的情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电阻分压式供电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10个倍增极提供电压UDD。第26页/共38页1、电阻链的设计 考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流Ia最大。因此，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当流过分压电阻的电流IR远远大于Ia时，即 IR Ia时，流过各分压电阻Ri的电流近似相等。工程上常设计IR大于等于10倍的Ia电流。IR10Ia第27页/共38页 选择的阻值太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R R R=Ubb/IR各分压电阻Ri 为而R1应为R1=1.5 RiR1较高,可使UD1较高,从而提高第一倍增极的二次电子发射系数。第28页/共38页2、电源电压 极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数，或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。由可以计算出UDD与Ubb，（锑化铯倍增极材料）（银镁合金材料）第29页/共38页3.末极的并联电容 当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。电容C1、C2与C3的计算公式为 式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，t t为脉冲的持续时间，UDD为极间电压 第30页/共38页4.电源电压的稳定度 光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系 对锑化铯倍增极 对银镁合金倍增极 由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkvRL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关 在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。第31页/共38页例例1：当采用GDB-235型光电倍增管接收持续时间为200ns200ns的光脉冲，已知它的倍增级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs材料，极间电压为100V，阳极输出峰值电流为100 A A，输出电压为5V5V。并要求放大倍数的稳定度为1%1%。设计此PMTPMT的供电电路，并确定电源电压的稳定度至少为多少？解解 采用电阻链均匀分压的供电电路,(1)总电压U=NUDD=8 100V=800V (2)选择电阻链的电流IR=10 Iamin (3)因此，总电阻为:R=U/IR=800V/1000 A=800k第32页/共38页均分电阻,则 计算出代入计算略.Ri=R/8=800/8=100k(4)确定最后三级并联电容:对SbCs阴极所以:第33页/共38页(6)电源电压的稳定度为 对SbCs阴极(5)选择负载电阻为 第34页/共38页例例2 如果上题中GDB-235的阴极光电流灵敏度Sk为40A/lm，阳极最大输出电流为2mA，试问阴极面上的入射光通量不能超过多少lm？解解 由于Iam=G SKVm 故阴极面上的入射光通量不能超过 第35页/共38页光电倍增管的应用1 光谱测量2 光子计数器3 在相位激光测距仪中的应用 光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流低和噪声，还能够在很大范围内调整内增益。因此，它在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。第36页/共38页LHAASO 项目第37页/共38页感谢您的观看！第38页/共38页
