光电子发射探测器 (2).ppt

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1、理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系 光子探测器光子探测器M光电增益输出光电流光电导探测器：光电导探测器：M可以大于可以大于1光电三极管：光电三极管：M102雪崩光电二极管：雪崩光电二极管：M103？M106理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0505章章 光电子发射探测器光电子发射探测器Photoemissive detector,简称简称PE探测器探测器光光 电电 管：管：光电倍增管：光电倍增管：被半导体光电器件取代被半导体光电器件取代 极高灵敏度极高灵敏度 10106 6 快速响应快速响应 pSpS应应 用：用：微弱光信号、快速脉冲弱光信号微弱光信号、快速脉冲弱光

2、信号也称为真空光电器件 理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0505章章 光电子发射探测器光电子发射探测器5.1 5.1 光电阴极光电阴极5.2 5.2 光电管和光电倍增管结构原理光电管和光电倍增管结构原理5.3 5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数5.4 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路5.1 5.1 光电阴极光电阴极具有外光电效应的材料具有外光电效应的材料 光电子发射体光电子发射体光电子发射探测器中的光电子发射体光电子发射探测器中的光电子发射体 又称为又称为光电阴极光电阴极 光电阴极光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能是完成光电转换的重

3、要部件，其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能！好坏直接影响整个光电发射器件的性能！常用的光电阴极材料常用的光电阴极材料反射系数大、吸收系反射系数大、吸收系数小、碰撞损失能量数小、碰撞损失能量大、逸出功大适大、逸出功大适应对紫外灵敏的光电应对紫外灵敏的光电探测器。探测器。光吸收系数大得多，散光吸收系数大得多，散射能量损失小，量子效射能量损失小，量子效率比金属大得多光率比金属大得多光谱响应：可见光和近红谱响应：可见光和近红外波段。外波段。金属：金属：半导体：半导体：5.1 5.1 光电阴极光电阴极常规光电阴极常规光电阴极负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极 半导体材料广泛用作光电阴极半导体材料广泛

4、用作光电阴极 1 1、常规光电阴极、常规光电阴极（1）AgOCs材料：材料：（2）单碱锑化物：）单碱锑化物：（3）多碱锑化物：）多碱锑化物：（4）紫外光电阴极：）紫外光电阴极：最早的光电阴极最早的光电阴极表表51 主要应用于近红外探测主要应用于近红外探测 CsSb阴极最为常用阴极最为常用表表51 紫外和可见光区的灵敏度最高紫外和可见光区的灵敏度最高 SbNaKCs 最实用的光电阴极材料，高灵敏度、最实用的光电阴极材料，高灵敏度、宽光谱，红外端延伸宽光谱，红外端延伸930nm，用于宽带光谱测量仪，用于宽带光谱测量仪5.1 5.1 光电阴极光电阴极1 1、常规光电阴极、常规光电阴极4紫外光电阴极紫

5、外光电阴极 光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵敏，而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，这种阴极通常称为对可见光无响应，这种阴极通常称为“日盲日盲”型型光电阴极光电阴极。“日盲日盲”型光电阴极型光电阴极实用的两种：实用的两种：碲化铯碲化铯(CsTe)长波限为长波限为0.32m碘化铯碘化铯(Csl)长波限为长波限为0.2 m。响应范围响应范围(100280nm)5.1 5.1 光电阴极光电阴极2.2.负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极Negative Electron Affinity，简称，简称NEA 5.1 5.1 光电阴极光电阴极电子亲和势电子亲和势EA 真空能级与导带真

6、空能级与导带底底能级之差称为电子亲和势能级之差称为电子亲和势 电子亲和势越小，材电子亲和势越小，材料发射光电子的能力料发射光电子的能力越强。越强。真空能级低于真空能级低于导带导带底底能级？能级？2.2.负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极Negative Electron Affinity，简称，简称NEA 5.1 5.1 光电阴极光电阴极电子亲和势电子亲和势EA 真空能级与导带真空能级与导带底底能级之差称为电子亲和势能级之差称为电子亲和势 负负电子亲和势电子亲和势真空能级低于真空能级低于导带导带底底能级能级发射光电子的能力发射光电子的能力更强更强2.2.负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极Negat

7、ive Electron Affinity，简称，简称NEA 5.1 5.1 光电阴极光电阴极1963年年 Simon提出了提出了负电子亲和势负电子亲和势（NEA）理论）理论 1965年年J.J.sheer和和J.V.laar 用铯激活砷化镓得到用铯激活砷化镓得到零电子亲和势零电子亲和势光电阴极；光电阴极；研制出研制出GaAs-Cs负电子亲和势负电子亲和势光电阴极光电阴极负电子亲和势材料结构、原理负电子亲和势材料结构、原理重掺杂的重掺杂的P型型硅表硅表面涂面涂极薄极薄的金属的金属Cs，经过处理形成，经过处理形成N型型的的Cs2O。2.2.负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极以以Si-Cs2O光电阴

8、极为例光电阴极为例2.2.负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极P型型Si的的电子亲和势电子亲和势:N型型Cs2O电子亲和势电子亲和势:EA1=E0-EC10EA2=E0-EC20体内：体内：P型型表面：表面：N型型表面表面电子，电子，能级能级Ec1入射光子入射光子体内体内电子，能级电子，能级Ec1表面逸出电子表面逸出电子E0-Ec1 0体内体内有效有效电子亲和势电子亲和势:EAe=E0-EC10EA2=E0-EC20EAe=E0-EC115.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数电流增益的稳定性：电流增益的稳定性：例如，例如，n912，测量精度，测量精度1%电源电压稳定度电源电压稳定

9、度0.1%。5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数3 3光电特性光电特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，阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的称为倍增管的光电特性光电特性。（1 1）弱光，例如光谱仪，开狭缝）弱光，例如光谱仪，开狭缝（2 2）线性，用于模拟量测量时重要）线性，用于模拟量测量时重要5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数4 4光谱特性光谱特性 （图（图5 59 9和和5 51010）近红外近红外远紫外远紫外可见光可见光短波限短波限窗口材料限制窗口材料限制 长波限长波限阴极材料限制阴极材料限制 5.3 光电

10、倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数4 4光谱特性光谱特性近红外光近红外光紫外光紫外光可见光可见光对比光谱响应范围：对比光谱响应范围：PE探测器探测器PV探测器探测器紫外光紫外光可见光可见光红外远红外光红外远红外光PC探测器探测器紫外光紫外光可见光可见光红外极远红外光红外极远红外光5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数5 5伏安特性伏安特性阴极伏安特性阴极伏安特性 阳极伏安特性：阳极伏安特性：光电二极管伏安特性：光电二极管伏安特性：恒流源恒流源计算和分析方法相同计算和分析方法相同5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数5 5伏安特性伏安特性阴极伏安特性

11、阴极伏安特性 阳极伏安特性：阳极伏安特性：交流微变等效电路交流微变等效电路 恒流源恒流源计算和分析方法相同计算和分析方法相同5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数6 6时间特性时间特性5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数三者分别对信号的响应产生什么影响？三者分别对信号的响应产生什么影响？6 6时间特性时间特性5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数器件器件时间特性时间特性(单位：单位：ns)结 构上升时间渡越时间渡越时间散差直线聚焦型0.731.350.371.1环形聚焦型3.4313.6盒栅型7577010百叶窗型76010外电路外电路时

12、间特性时间特性(单位：单位：ns)6 6时间特性时间特性5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数当电路时间常数较大，倍增管的上限截止频率：当电路时间常数较大，倍增管的上限截止频率：倍增管的响应时间倍增管的响应时间输出电路的时间常数输出电路的时间常数9 9噪声与噪声等效功率噪声与噪声等效功率 阳极阳极散粒噪声散粒噪声=阴极阴极散粒噪声散粒噪声+各级各级散粒噪声散粒噪声阳极（总的）散粒噪声的均方值：阳极（总的）散粒噪声的均方值：5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数阴极散粒噪声对阳极的贡献：阴极散粒噪声对阳极的贡献：阳极阳极散粒噪声散粒噪声=阴极阴极散粒噪声散粒噪

13、声+各级各级散粒噪声散粒噪声阴极散粒噪声对阳极的贡献：阴极散粒噪声对阳极的贡献：各级散粒噪声对阳极的贡献：各级散粒噪声对阳极的贡献：5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数阳极散粒噪声阳极散粒噪声=阴极散粒噪声阴极散粒噪声+各级散粒噪声各级散粒噪声阴极散粒噪声对阳极的贡献：阴极散粒噪声对阳极的贡献：阳极散粒噪声的均方值：阳极散粒噪声的均方值：物理意义：物理意义：1.倍增起伏使阳极噪声增大倍增起伏使阳极噪声增大K倍倍 2.增大增大1,改善信噪比改善信噪比 5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数噪声增强因子噪声增强因子噪声等效功率噪声等效功率:PMT 10-151

14、0-16 W/Hz1/2PIN PD10-14W/Hz1/2APD 10-15W/Hz1/2噪声等效功率噪声等效功率计算举例：计算举例：CR131 光谱响应范围光谱响应范围185900nm；峰值波长；峰值波长400nm 阴极最小有效面积阴极最小有效面积824mm2 典型增益典型增益6106 阳极典型暗电流阳极典型暗电流3nA,最大最大50nA 阴极灵敏度阴极灵敏度250A/Lm NEP=5.0610-14Lm/Hz1/2?W/Hz1/25.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数1 1灵敏度灵敏度 2 2电流增益电流增益3 3光电特性光电特性4 4光谱特性光谱特性5 5伏安特性伏安

15、特性6 6时间特性时间特性7 7暗电流暗电流8 8疲劳特性疲劳特性9 9噪噪 声声理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0505章章 光电子发射探测器光电子发射探测器5.1 5.1 光电阴极光电阴极5.2 5.2 光电管和光电倍增管的结构原理光电管和光电倍增管的结构原理5.3 5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数5.4 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路5.4 光电倍增管的工作电路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。光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。工

16、作电路：工作电路：高压供电电路高压供电电路信号输出电路信号输出电路分压电阻的确定分压电阻的确定 并联电容的确定并联电容的确定 高压电源高压电源 接地方式接地方式 高压供电电路高压供电电路分压电阻的确定分压电阻的确定 总电压总电压UAK 在在10001500 V之间，之间，倍增极极间电压倍增极极间电压UD在在80100V之之间可以确定间可以确定分压电阻分压电阻5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路IRIAmax高压供电电路高压供电电路分压电阻的确定分压电阻的确定 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路实例：实例：说明：说明：i.第一级对阴极电流形成影响最大第一级对阴极电流形成

17、影响最大,高出高出2030Vii.中间级均匀分配中间级均匀分配iii.最后一级最后一级,要高要高,克服空间电荷区的影响克服空间电荷区的影响.高压供电电路高压供电电路并联电容的确定并联电容的确定 探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳探测光脉冲，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最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。C2、C3？5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路高压供电电路高压供电电路高压电源高压电源 专用电源：电压波动在专用电源：电压波动在0.050.05以内以内 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路高压供电电路高压供电电路接地方式接地方式

18、 缺点：缺点：阴极负高压，屏蔽阴极负高压，屏蔽困难，暗电流和噪声大。困难，暗电流和噪声大。优点：优点：屏蔽罩靠近阴极，效果屏蔽罩靠近阴极，效果好；暗电流小，噪声低好；暗电流小，噪声低阳极接地（负高压接法阳极接地（负高压接法 ）阴极接地阴极接地(正高压接法正高压接法)优点：优点：便于与后面放大器便于与后面放大器相连，操作安全相连，操作安全缺点：缺点：高压不利于安全操作；高压不利于安全操作；接耐压很高的隔直电容器。接耐压很高的隔直电容器。5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路信号输出电路信号输出电路 交流微变等效电路交流微变等效电路电流源电流源 利用伏安特性：利用伏安特性：负载电阻设计负

19、载电阻设计 输出电流输出电流 输出电压等计算输出电压等计算5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路信号输出电路信号输出电路 用用负载电阻负载电阻实现实现I/V转换：转换：较大的负载电阻较大的负载电阻1.频率响应变差频率响应变差2.饱和引起非线性饱和引起非线性 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路负载电阻太大，阳极电压降低 饱和引起非线性饱和引起非线性 信号输出电路信号输出电路 用用负载电阻负载电阻实现实现I/V转换：转换：用用运算放大器运算放大器实现实现I/V转换：转换：1.良好的线性良好的线性2.良好频率响应特性良好频率响应特性3.转换效率高转换效率高较大的负载电阻较大的

20、负载电阻1.频率响应变差频率响应变差2.饱和引起非线性饱和引起非线性 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系光电倍增管应用举例光电倍增管应用举例超高速超高速碰撞闪光碰撞闪光光电倍增管测量系统光电倍增管测量系统 光电倍增管应用举例光电倍增管应用举例碰撞闪光的光电信号随时间变化曲线 峰前部分碰撞物的速度和碰撞角度、尺寸、密度和组成峰后部分碰撞产生的热羽黑体辐射衰减信号强度峰值持续时间间隔弹丸参数黑体衰减持续时间长短靶板参数。光电倍增管应用举例光电倍增管应用举例闪烁计数器闪烁计数器：闪烁晶体（闪烁晶体（NaI）+光电倍增管光电倍增管 光电倍增管

21、应用举例光电倍增管应用举例闪烁计数器闪烁计数器：闪烁晶体（闪烁晶体（NaI）+光电倍增管光电倍增管PET系统注入放射性物质，放射正电子，同周围的电子结合淬灭，射出511kev的射线,由探测器接收，可确定体内淬灭电子位置，得到CT像。理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系光电倍增管应用举例光电倍增管应用举例滨松生产的高通量（high-throughput）PET系统 理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系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扫描图像显示了许多疾病的早期征兆 本章小结：本章小结：1光电子发射探测器是利用外光电效应制成的器光电子发射探测器是利用外光电效应制成的器 件。光电倍增管：件。光电倍增管：高灵敏度高灵敏度、高响应速度高响应速度。2光电阴极：常规光电阴极和负电子亲和势阴光电阴极：常规光电阴极和负电子亲和势阴 极。极。3光电倍增管主要参数。噪声：阴极电流散粒噪光电倍增管主要参数。噪声：阴极电流散粒噪 声和各级倍增极的散粒噪声。声和各级倍增极的散粒噪声。4光电倍增管工作电路：高压供电电路和信号输出光电倍增管工作电路：高压供电电路和信号输出 电路。电路。