华中科技大学《光电探测》3光电子发射探测器.ppt

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1、3光电子发射探测器光电子发射探测器真空光电器件是基于外光电效应（光电子发射效应）制成的光电探测器。Photoemissive：简称PE探测器第一页，编辑于星期六：十九点 十四分。真空光电器件光电管光电倍增管特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小探测微弱信号缺点：结构复杂，工作电压高，体积大第二页，编辑于星期六：十九点 十四分。3.1光电阴极一、光电阴极的主要参数1.灵敏度光照灵敏度:光谱灵敏度在光电子发射探测器中，具有光电子发射效应的材料称为光电阴极。完成光电转换的功能光电阴极材料的性能的好坏直接决定探测器的性能。第三页，编辑于星期六：十九点 十四分。.量子效率它表示一定波长的光子入射到

2、光电阴极时，该阴极所发射的光电子数Ne()与入射的光子数Np()之比。也称量子产额Q()3.光谱响应曲线.热电子发射：引起噪声，限制探测灵敏度第四页，编辑于星期六：十九点 十四分。二、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极350nm,800nm第五页，编辑于星期六：十九点 十四分。三、单碱锑化物光电阴极金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，能形成具有稳定光电发射的发射体。最常用的是锑化铯，其阴极灵敏度最高，广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。四、多碱锑化物光电阴极当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应率第六页，编辑于星期六：十九点 十四分。五、紫外光电阴极通常来说对可见光灵敏的光电阴

3、极对紫外光也有较高的量子效率。有时，为了消除背景辐射的影响，要求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。这样的光电阴极有碲化铯(CsTe,320nm)和碘化铯(CsI,200nm)第七页，编辑于星期六：十九点 十四分。六、负电子亲和势光电阴极电子亲和势是指半导体导带底部到真空能级间的能量值，表示了发生光电效应时，电子逸出的难易程度。常规的光电阴极属于正电子亲和势(PEA)类型，即表面的真空能级位于导带之上。如果给半导体的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经过特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极(NEA)。第八页，编辑于星

4、期六：十九点 十四分。EA1Eg1Eg2EA2Ev1Ec1E0Ec2Ev2SiCs2OEv1EC1EfEAeE0EdEA2Ev2+-Si-CsO2光电阴极：在p型Si基上涂一层金属Cs，经过特殊处理而形成n型Cs2O。在交界区形成耗尽层，耗尽区的电位下降Ed,造成能带弯曲。对于P型Si的发射阈值是Ed1=EA1+Eg1,电子进入导带后需要克服亲和势EA1才能逸出表面。第九页，编辑于星期六：十九点 十四分。从Si的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EA2就能逸出表面。对于P型Si的光电子需克服的有效亲和势为EAe=EA2-Ed由于能级弯曲，使EdEA2,这样就形成了负电子亲

5、和势。负电子亲和势阴极与正电子亲和势阴极的区别：1.参与发射的电子是导带的热化电子，或称为“冷”电子；第十页，编辑于星期六：十九点 十四分。.NEA阴极中导带的电子逸入真空不需作功。特点：特点：1.高吸收，低反射性质；2.高量子效率，50%60%,长波到达9%;3.光谱响应可以达到1m以上；4.冷电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布5.光谱响应平坦；6.暗电流小；7.在可见、红外区，能获得高响应度；8.工艺复杂，售价昂贵。第十一页，编辑于星期六：十九点 十四分。3.2光电管与光电倍增管的工作原理一、真空光电管一、真空光电管1、结构与工作原理真空光电管构造示意图真空光电管构造示意图真空光电管

6、由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。第十二页，编辑于星期六：十九点 十四分。光电阴极光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。优点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20200A/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。缺点：真空光电管体积大、工作电压高,达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等第十三页，编辑于星期六：十九点 十四分。二、光电倍增管二、光电倍增管1、光电倍增管组成及工作原理光电倍增管由五个主要部分组成：光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增

7、系统和阳极。第十四页，编辑于星期六：十九点 十四分。第十五页，编辑于星期六：十九点 十四分。工作原理：1.光子透过入射窗口入射在光电阴极上;2.光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中;3.光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上，倍增级将发射出比入射电子数目更多的二次电子二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次；4.经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。第十六页，编辑于星期六：十九点 十四分。光电倍增管工作原理图第十七页，编辑于星期六：十九点 十四分。第十八页，编辑于星期六：十九点 十四分。.入射窗口和光电阴极结构入射窗口和光电阴极结构第十九页，

8、编辑于星期六：十九点 十四分。硼硅玻璃硼硅玻璃这是一种常用的玻璃材料，可以透过从近红外至300nm的入射光，但不适合于紫外区的探测。无钾玻璃中只有极低含量的钾，其中的K40会造成暗计数。所以通常用于闪烁计数的光电倍增管不仅入射窗，而且玻璃侧管也使用无钾玻璃，就是为了降低暗计数 透紫玻璃（透紫玻璃（UVUV玻璃）玻璃）这种玻璃材料就象其名字所表达的那样，可以很好地透过紫外光，和硼硅玻璃一样被广泛使用。分光应用领域一般都要求用透紫玻璃，其截止波长可接近185nm。窗口材料第二十页，编辑于星期六：十九点 十四分。合成石英合成石英合成石英可以将透过的紫外光波长延伸至160nm，并且在紫外区比熔融石英玻

9、璃有更低的吸收。合成石英材料的膨胀系数与芯柱用玻璃的膨胀系数有很大差别，所以，用热膨胀系数渐变的封接材料与合成石英逐渐过渡。因此，此类光电倍增管的强度易受外界震动的破坏，使用中要采取足够的保护措施。氟化镁（镁氟化物）氟化镁（镁氟化物）该材料具有极好的紫外线透过性，但同时也有易潮解的不利因素。尽管如此，氟化镁仍以其接近115nm的紫外透过能力而成为一种实用的光窗材料。第二十一页，编辑于星期六：十九点 十四分。.电子光学系统电子光学系统是适当设计的电极结构，作用：使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到 下一个倍增极上，即使下一级的收集率接近1；并使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历

10、的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。第二十二页，编辑于星期六：十九点 十四分。4.电子倍增极电子倍增极二次电子发射：具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子。二次发射系数：二次发射的电子数N2与入射的一次电子数N1的比值第二十三页，编辑于星期六：十九点 十四分。倍增级结构现在使用的电子倍增系统主要有以下几类：环形聚焦型环形聚焦型环形聚焦型结构主要应用于侧窗型光电倍增管。其主要特点为紧凑的结构和快速时间响应特性。第二十四页，编辑于星期六：十九点 十四分。盒栅型盒栅型这种结构包括了一系列的四分之一圆柱形的倍增极，并因其相对简单的倍增极结构和一致性的改良而被广泛地应用于端窗型光电倍

11、增管，但在一些应用中，其时间响应可能略显缓慢。第二十五页，编辑于星期六：十九点 十四分。直线聚焦型直线聚焦型直线聚焦型因其极快的时间响应而被广泛地应用于要求时间分辨和线性脉冲研究用的端窗型光电倍增管中。第二十六页，编辑于星期六：十九点 十四分。百叶窗型百叶窗型百叶窗型结构因倍增极可以较大而被用于大阴极的光电倍增管中，其一致性较好，可以有大的脉冲输出电流。这种结构多用于不太要求时间响应的场合。第二十七页，编辑于星期六：十九点 十四分。细网型细网型细网型结构拥有封闭的精密组合的网状倍增极，而使其具有极强的抗磁性、一致性和脉冲线性输出特性。另外，当使用交叠阳极或多阳极结构输出情况下，还具有位置灵敏特

12、性。第二十八页，编辑于星期六：十九点 十四分。微通道板（微通道板（MCPMCP）型）型MCP是上百万的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成为薄形盘片状而形成。每个通道都是一个独立的电子倍增器。MCP比任何分离电极倍增极结构具有超快的时间响应，并且当采用多阳极输出结构时，在磁场中仍具有良好的一致性和二维探测能力。第二十九页，编辑于星期六：十九点 十四分。5.阳极阳极作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输出电流。对于阳极的结构要求具有较高的电子收集率，能承受较大的电流密度，并且在阳极附近的空间不至于产生空间电荷效应第三十页，编辑于星期六：十九点 十四分。3.3光电倍增管的主要特性参数光

13、电倍增管的主要特性参数一、灵敏度一、灵敏度灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数光谱响应阴极灵敏度阳极灵敏度第三十一页，编辑于星期六：十九点 十四分。阴极光照灵敏度：阴极光照灵敏度：阴极输出光电流Ik与入射到光电阴极面上的光通量之比：GV+HVEA10-510-2lm第三十二页，编辑于星期六：十九点 十四分。阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度表示光电倍增管在接收分布温度为2856K的光辐射时阳极输出电流与入射光通量的比值：GVHVEA10-1010-6lm第三十三页，编辑于星期六：十九点 十四分。二、放大倍数二、放大倍数(增益增益)光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流，可以放大成较大的

14、阳极输出电流：二次电子发射，产生多于光电子数目的电子流。连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集，从而达到了电流放大的作用。电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值值。在理想情况下，具有n个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射率为的光电倍增管的电流增益为n。二次电子发射率由下式给出：第三十四页，编辑于星期六：十九点 十四分。这里的C为一常数，V为极间电压，为一由倍增极材料及其几何结构决定的系数，的数值一般介于0.7和0.8之间。如果光电倍增有n级倍增级，那么光电阴极发射的光电流经过各级倍增极倍增后，从阳

15、极输出的电流:为电子光学系统的收集率；.n倍增极的电子收集率12n倍增极二次电子发射系数第三十五页，编辑于星期六：十九点 十四分。设阳极电子收集率为1，如果各倍增极的电子收集率和二次电子发射系数，那么光电倍增管的放大倍数放大倍数也可以表示为第三十六页，编辑于星期六：十九点 十四分。三、暗电流三、暗电流暗电流是指在施加规定的电压后，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组成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第三十七页，编辑于星期六：十九点 十四分。减小暗电流的方法直流补偿选频和锁相放大致冷电磁屏蔽法磁场散焦法PMT第三十八页，编辑于星期六：十九点

16、 十四分。第三十九页，编辑于星期六：十九点 十四分。四、噪声散粒噪声闪烁噪声电阻热噪声第四十页，编辑于星期六：十九点 十四分。五、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的电压关系.Ik(nA)312Vk(V)第四十一页，编辑于星期六：十九点 十四分。2.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之间的电压关系Ik(uA)312Vp(V)第四十二页，编辑于星期六：十九点 十四分。六、线性造成非线性的原因:(1)内因空间电荷、光电阴极的电阻率、聚集或收集率的变化；(2)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。第四十三页，编辑于星

17、期六：十九点 十四分。七、稳定性稳定性是指阳极电流随工作时间的变化，它在闪烁记数和光度测量中显得很重要。.灵敏度的慢漂移2.滞后效应第四十四页，编辑于星期六：十九点 十四分。八、响应时间：入射光变化输出电信号的变化1.上升时间2.渡越时间九、磁场特性磁场变化时，光电子运动轨迹的偏移第四十五页，编辑于星期六：十九点 十四分。3.4光电倍增管的供电和信号输出电路一、高压供电.供电电压的极性阳极接地负高压供电：阳极接地负高压供电：阳极信号输出方便，可以直流输出。但由于阴极屏蔽困难，阳极输出暗电流和噪声较大。阴极接地的正高压供电：阴极接地的正高压供电：阳极信号输出必须通过耐高压、噪声小的隔直流电容器，

18、因此只能输出交流信号。但可以得到较低的暗电流和噪声。第四十六页，编辑于星期六：十九点 十四分。、分压器设计GKPR1R2R3R4R5R7R61.DC输出型第四十七页，编辑于星期六：十九点 十四分。理想曲线真实曲线入射光通量输出电流与分压器电流比第四十八页，编辑于星期六：十九点 十四分。2脉冲输出型GKPR1R2R3R4R5R7R6第四十九页，编辑于星期六：十九点 十四分。二、信号输出光电倍增管输出一个电流信号，而与其相联的后续电路，一般是基于电压信号而设计的，因此，常用一个负载电阻来完成电流-电压的转换。在此，我们来研究一下负载电阻的选取。由于光电倍增管输出电流很小，而且实际上常常将其看作一个

19、恒流源，因此，一般认为负载电阻可以任意大地选取，从而从一个较低的电流信号，得到一个很高的电压信号。但是实际上，较大的负载电阻会导致频率响应和输出线性的恶化。第五十页，编辑于星期六：十九点 十四分。若负载电阻为RL，光电倍增管阳极和其它电极之间的静电电容量以及由于布线等引起的杂散电容量的总和为Cs，则截止频率fc：上式可以看到，尽管光电倍增管和放大器有极快的响应时间，输出线路响应也将受到截止频率fc的限制。如果负载电阻RL值较高，在较高输出电流情况下，负载电阻将导致阳极电位电压降增大，造成阳极-末倍增极电压降低，从而降低了输出线性（输出电流与入射光的比例关系）。第五十一页，编辑于星期六：十九点

20、十四分。.运算放大器输出PMTVRfCf输出的电压这是一个由运算放大器构成的IV(电流电压)转换器第五十二页，编辑于星期六：十九点 十四分。3.5光电倍增管的应用一、光谱学光谱学-利用光吸收原理利用光吸收原理1.1.紫外紫外/可见可见/近红外分光光度计近红外分光光度计光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分能量，称为吸收。利用吸收进行定量分析:为确定样品物质的量，采用连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度，即可得到被测物质吸收程度，计算出物质的量。第五十三页，编辑于星期六：十九点 十四分。2.2.原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计广泛地应用于微量金属元

21、素的分析。对应于分析的各种元素，需要专用的元素灯，照射燃烧并雾化分离成原子状态的被测物质上，用光电倍增管检测光被吸收的强度，并与预先得到的标准样品比较。第五十四页，编辑于星期六：十九点 十四分。二、利用发光原理二、利用发光原理.发光分光光度计发光分光光度计样品接受外部照射光的能量会产生发光，利用单色器将这种光的特征光谱线显示出来，用光电倍增管探测出特征光谱线是否存在及其强度。这种方法可以迅速地定性或定量地检查出样品中的元素。第五十五页，编辑于星期六：十九点 十四分。.荧光分光光度计荧光分光光度计荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物学原理。物质受到光照射，发射长波的发光，这种光称为荧光。用

22、光电倍增管检测荧光的强度及光谱特性，可以定性或定量地分析样品成份。3.3.拉曼分光光度计拉曼分光光度计用单色光照射物质后被散乱，这种散乱光中，只有物质特有量的不同波长光混合在里面。这种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物质进行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要复杂的光路系统，并且采用单光子计数法。第五十六页，编辑于星期六：十九点 十四分。CR129光电倍增管参数光电倍增管参数光谱响应范围300650nm(S-4)最大响应波长420nm光阴极（不透明）锑铯光阴极阴极最小有效尺寸46mm侧筒及窗材料无钾硼硅玻璃倍增系统结构盒栅型(10级)阳极脉冲上升时间7.0ns电子渡越时间70ns适用管座E678-15B重量125133克第五十七页，编辑于星期六：十九点 十四分。阳极与阴极间的电压1250Vdc阳极与第十倍增极间的电压250Vdc平均阴极电流50nA平均阳极电流0.1mA环境温度范围-30+50C极限工作条件绝对最大值极限工作条件绝对最大值:第五十八页，编辑于星期六：十九点 十四分。