光電發(fā)射器件課件

1、光電發(fā)射器件光電發(fā)射器件主要內(nèi)容外光電效應(yīng)光電發(fā)射器件光電發(fā)射陰極光電管光電倍增管外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 光電發(fā)射效應(yīng) 在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子的現(xiàn)象，稱為光電發(fā)射效應(yīng)。 光子能量被電子吸收后，能量轉(zhuǎn)化為電子逸出功 和動(dòng)能 ，即： 逸出物體表面電子具有的動(dòng)能 光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功。 多發(fā)生于金屬和金屬氧化物表面，且是瞬間發(fā)生的，滯后時(shí)間不超過(guò) s光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)ekekehe910外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 光電發(fā)射效應(yīng) 逸出物體表面電子具有的動(dòng)能 當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比 不同的材料有不同的逸出功，對(duì)某種材

2、料而言有一個(gè)頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)電子，此頻率限稱為“紅限”，其臨界波長(zhǎng) 為： kehek/khc e基于外光電效應(yīng)的光電器件：光電管、光電倍增管外光電效應(yīng)光電發(fā)射的基本過(guò)程u（1）對(duì)光子的吸收 光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)（真空中自由電荷的最小能量）的激發(fā)態(tài)。u（2）光電子向表面的運(yùn)動(dòng) 受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)向表面運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中因與其他電子或晶格發(fā)生碰撞而損失部分能量u（3）克服表面勢(shì)壘逸出材料表面 達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出光電發(fā)射器件光電發(fā)射

3、器件真空光電器件充氣光電器件光電管光電發(fā)射器件真空光電器件充氣光電器件光電管被半導(dǎo)體光電器件取代極高靈敏度106快速響應(yīng)ps特點(diǎn)靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、噪聲小缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作電壓高、體積大光電發(fā)射陰極 光電陰極主要作用是吸收光子能量發(fā)射光電子光電發(fā)射探測(cè)器中的光電發(fā)射體完成光電轉(zhuǎn)換的重要部件性能好壞直接影響整個(gè)光電發(fā)射器件的性能光電發(fā)射陰極主要特性參數(shù)u靈敏度 光譜靈敏度 在單一波長(zhǎng)輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極輸出電流ik與單色輻射通量 之比為光電陰極的光譜靈敏度 （ 或a/w）。 積分靈敏度 在某波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極輸出電流ik與入射輻射通量 之比為光電陰極

4、的積分靈敏度se(ma/w或a/w)。 在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的“白光”作用于光電陰極時(shí)，光電陰極電流ik與入射光通量 之比為光電陰極的白光靈敏度sv(ma/lm)。, e, es/a w,keeise,0keeisd780,380kvisd 光電發(fā)射陰極主要特性參數(shù)u量子效率 一定波長(zhǎng)的光子入射到光電陰極時(shí)，該光電陰極單位時(shí)間發(fā)射出去的光電子數(shù) ，與入射的光子數(shù) 之比為光電陰極的量子效率 （或稱量子產(chǎn)額）。 e,n,pn,epnn,1240/eekeshcsiqhvq量子效率和光譜靈敏度是一個(gè)物理量的兩種表示方法光電發(fā)射陰極主要特性參數(shù)u光譜響應(yīng) 用光譜響應(yīng)特性曲線描述光電發(fā)射陰極的光譜響應(yīng)特性

5、 光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長(zhǎng)的關(guān)系曲線u暗電流（熱電子發(fā)射）光電發(fā)射陰極中少數(shù)處于較高能級(jí)的電子在室溫下獲得了熱能產(chǎn)生熱電子發(fā)射形成暗電流光電發(fā)射陰極的暗電流與材料的光電發(fā)射閾值有關(guān)一般光電發(fā)射陰極的暗電流極低，其強(qiáng)度相當(dāng)于10-1610-18a/cm-2的電流密度光電發(fā)射陰極光電陰極材料u良好的光電發(fā)射材料具備的條件 光的吸收系數(shù)大光電子在體內(nèi)傳輸過(guò)程中受到的能量損失小 表面勢(shì)壘低，表面逸出幾率大 要有一定電導(dǎo)率，以便能通過(guò)外電源來(lái)補(bǔ)充因光電發(fā)射 所失去的電子u常用的材料反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大光譜響應(yīng)：對(duì)紫外靈敏光吸收系數(shù)大的多，散射能量損失小，量

6、子效率比金屬大得多光譜響應(yīng)：可見光和近紅外波段金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料廣泛用作光電陰極半導(dǎo)體材料廣泛用作光電陰極光電發(fā)射陰極光電陰極材料u光電陰極材料分類 單堿與多堿銻化物光陰極 銀氧銫與鉍銀氧銫光陰極 紫外光陰極 iii-v族元素光陰極光電管（phototube）光電陰極玻殼陽(yáng)極半導(dǎo)體光電發(fā)射材料涂于玻殼內(nèi)壁受光照時(shí)，可向外發(fā)射光電子金屬環(huán)或金屬網(wǎng)置于光電陰極的對(duì)面加正的高電壓收集從陰極發(fā)射出來(lái)的電子光電管優(yōu)點(diǎn)光電陰極面積大；靈敏度高，一般積分靈敏度可達(dá)20200 a/lm;暗電流小，最低可達(dá)10-14a；光電發(fā)射弛豫過(guò)程極短。缺點(diǎn)一般體積都比較大；工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏；玻殼容易破

7、碎等光電管電流與光照量在一定范圍內(nèi)呈直線關(guān)系光電管光電倍增管（photomultiplier tube）基本原理 一種真空光電發(fā)射器件光入射窗 光電陰極 電子光學(xué)系統(tǒng) 倍增極 陽(yáng)極光電倍增管基本原理 一種真空光電發(fā)射器件1）光子透過(guò)入射窗口入射在光電陰極上；2）光電陰極上的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中；3）光電子通過(guò)電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增 級(jí)上，倍增級(jí)將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。 入射電子經(jīng)n級(jí)倍增級(jí)倍增后，光電子就放大n次；4）經(jīng)過(guò)倍增后的二次電子由陽(yáng)極收集，形成陽(yáng)極光電流。若干中間電極倍增極每相鄰兩個(gè)電極稱為一級(jí)，vi為分級(jí)電壓（一般為百伏）光電倍增管光

8、入射窗u入射光窗結(jié)構(gòu)光電倍增管光入射窗u常用光窗材料p硼硅玻璃（無(wú)鉀玻璃） 常用的玻璃材料，可以透過(guò)300nm至近紅外的入射光，不適合紫外去的探測(cè)p透紫玻璃（uv玻璃） 很好的透過(guò)紫外光，和硼硅玻璃一樣被廣泛使用。 分光應(yīng)用領(lǐng)域一般都要求用透紫玻璃， 其截至波長(zhǎng)可接近185nmp合成石英 紫外光波長(zhǎng)延伸至160nmp藍(lán)寶石 紫外光波長(zhǎng)延伸至150nmp氟化鎂（鎂氟化物） 極好的紫外線透過(guò)性，接近115nm光窗材料 短波限光電倍增管光電陰極u光電陰極類型光電陰極材料 長(zhǎng)波限光電倍增管電子光學(xué)系統(tǒng)u系統(tǒng)組成 光電陰極至第一倍增極之間的區(qū)域。 電子光學(xué)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由聚焦電極和偏轉(zhuǎn)電極組成。u作用

9、（1）使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能多的會(huì)聚到第一倍增極上，而將其他部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比；（2）光電陰極各部分發(fā)射的光電子到達(dá)第一倍增極所經(jīng)歷的時(shí)間盡可能一致，保證光電倍增管的快速響應(yīng)。光電倍增管倍增極u倍增極材料 二次發(fā)射 發(fā)射系數(shù) 二次電子發(fā)射步驟（1）材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài)，這些被激發(fā)電子稱為內(nèi)二次電子；（2）內(nèi)二次電子中初速度指向表面的那一部分向表面運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因散射而損失能量；（3）如果達(dá)到界面的內(nèi)二次電子仍有足以克服表面勢(shì)壘的能量，即逸出表面成為二次電子。具有足夠動(dòng)能的電子轟擊某些材料時(shí)，材料表面將發(fā)射新的電子， 這種現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射二次

10、發(fā)射的電子數(shù)n2與入射的一次電子數(shù)n1的比值光電倍增管倍增極u倍增極材料 銻化銫 在較低的電壓下產(chǎn)生較高的發(fā)射系數(shù) 氧化銀鎂合金（agmgocs） 可在較強(qiáng)的電流和較高的溫度（150 度）下工作 銅-鈹合金（鈹?shù)暮繛?%） 發(fā)射系數(shù)比銀鎂合金更低些 負(fù)電子親和勢(shì)材料gapcs 在電壓為1000v時(shí)，倍增系數(shù)可大于 50或高達(dá)200光電倍增管倍增極u倍增極結(jié)構(gòu)非聚焦型盒刪型盒刪型瓦片靜電聚焦型瓦片靜電聚焦型圓形鼠籠型圓形鼠籠型聚焦型光電倍增管倍增極光電倍增管陽(yáng)極u作用 收集最末一級(jí)倍增極發(fā)射出來(lái)的二次電子，向外電路輸出電流。u結(jié)構(gòu) 具有較高電子收集率，能承受較大電流密度，在陽(yáng)極附近空間不產(chǎn)生空

11、間電荷效應(yīng)。 陽(yáng)極廣泛采用柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。光電倍增管 主要特性參數(shù) 靈敏度 電流增益 暗電流 噪聲 伏安特性 疲勞特性 線性光電倍增管 主要特性參數(shù)靈敏度 陰極靈敏度 光電倍增管陰極電流ik與入射光譜輻射通量之比，稱為陰極的光譜靈敏度 在某波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極輸出電流ik與入射輻射通量 之比為陰極的積分靈敏度 白光靈敏度或光照靈敏度k,keise780,380kkvisd,0kkeisd光電倍增管 主要特性參數(shù)靈敏度 陽(yáng)極靈敏度 陽(yáng)極輸出電流ia與入射光譜輻射通量之比為陽(yáng)極的光譜靈敏度 若入射輻射為某一波段范圍，則定義為陽(yáng)極積分靈敏度 陽(yáng)極光照靈敏度,aaeis780,380

12、aavisd,0aaeisd光電倍增管 主要特性參數(shù)電流增益 電流放大倍數(shù) 陽(yáng)極電流與陰極電流的比值 光電倍增管倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù) 與一次電子的加速電壓udd有關(guān)，當(dāng)電壓在幾十至幾百伏時(shí)，可表示為 c是常數(shù)，k值與倍增極的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)銻化銫倍增極 氧化銀鎂合金倍增極aakkisgiskddcu0.70.2ddu0.025ddu光電倍增管 主要特性參數(shù)電流增益 電流放大倍數(shù) n級(jí)倍增pmt，光電陰極發(fā)射的光電流經(jīng)各級(jí)倍增極倍增后，陽(yáng)極輸出電流為 為電子光學(xué)系統(tǒng)的收集率； 和 分別是1,2n級(jí)倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)和電子收集率。 假定：各倍增極的電子發(fā)射系數(shù)和電子收集率相等，則電流放大倍

13、數(shù)為 銻化銫 銀鎂合金材料 012,n 0.7(0.2)nnddgu(0.025)nnddgu12,n 光電倍增管 主要特性參數(shù)暗電流 無(wú)輻射作用下的陽(yáng)極輸出電流稱為暗電流，記為id 在正常應(yīng)用的情況下pmt的暗電流值是所有光電探測(cè)器件中暗電流最低的器件影響暗電流的主要因素 pmt電極之間的玻璃漏電、管座漏電和灰塵漏電等歐姆漏電 通常比較穩(wěn)定，對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)小 在低電壓工作時(shí)，歐姆漏電成為暗電流的主要部分 pmt光電陰極材料的光電發(fā)射閾值較低，容易產(chǎn)生熱電子發(fā)射熱發(fā)射 在室溫下也會(huì)有一定的熱電子發(fā)射，并被電子倍增系統(tǒng)倍增 降低光電倍增管的溫度是減小熱發(fā)射暗電流的有效方法 光電倍增管 主要特性參數(shù)

14、暗電流 無(wú)輻射作用下的陽(yáng)極輸出電流稱為暗電流，記為id 在正常應(yīng)用的情況下pmt的暗電流值是所有光電探測(cè)器件中暗電流最低的器件影響暗電流的主要因素 高速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)使管中的殘余氣體電離，產(chǎn)生正離子和光子 ，它們也將被倍增，形成暗電流殘余氣體放電 工作電壓高時(shí)特別嚴(yán)重，使倍增管工作不穩(wěn)定 降低工作電壓會(huì)減小殘余氣體放電產(chǎn)生的暗電流 工作的電壓高時(shí)引起管內(nèi)電極尖端或棱角的場(chǎng)強(qiáng)太高產(chǎn)生場(chǎng)致場(chǎng)致發(fā)射 降低工作電壓場(chǎng)致發(fā)射暗電流也將下降 光電倍增管 主要特性參數(shù)暗電流 無(wú)輻射作用下的陽(yáng)極輸出電流稱為暗電流，記為id 在正常應(yīng)用的情況下pmt的暗電流值是所有光電探測(cè)器件中暗電流最低的器件影響暗電流的主要因

15、素 玻璃殼放電和玻璃熒光 負(fù)高壓使用時(shí)，金屬屏蔽層與玻璃殼之間電場(chǎng)很強(qiáng) 強(qiáng)電場(chǎng)下，玻璃殼可能發(fā)生放電或出現(xiàn)玻璃熒光，引起暗電流 使屏蔽層與玻璃管壁之間距離至少為1020mm 光電倍增管 主要特性參數(shù)噪聲 pmt噪聲主要由散粒噪聲和負(fù)載電阻的熱噪聲組成負(fù)載電阻的熱噪聲 主要來(lái)自負(fù)載電阻或運(yùn)算放大器的反饋電阻和運(yùn)算放大器的輸入阻抗散粒噪聲 由陰極暗電流id，背景輻射電流ib以及信號(hào)電流is的散粒效應(yīng)引起 總噪聲電流24naakt fir222ndnkiqi gf2242nkakt fiqi gfr光電倍增管 主要特性參數(shù)噪聲 總噪聲電流 在設(shè)計(jì)光電倍增管電路時(shí)，力圖使負(fù)載電阻的熱噪聲遠(yuǎn)小于散粒噪聲

16、設(shè)光電倍增管的增益g=104，陰極暗電流idk=10-14a，在室溫300k情況下，只要陽(yáng)極負(fù)載電阻ra滿足 計(jì)算電路的噪聲時(shí)就可以只考慮散粒噪聲2242nkakt fiqi gfr242kakt fqi gfra24522kktrkqi g光電倍增管 主要特性參數(shù)伏安特性 陰極伏安特性 陰極電壓uk 陰極電流ik與陰極和第一倍增極之間電壓 當(dāng)入射至pmt陰極面上光通量一定時(shí)，uk與ik的關(guān)系曲線為陰極伏安特性 陽(yáng)極伏安特性 陽(yáng)極電壓ua 陽(yáng)極電流ia與陽(yáng)極和末級(jí)倍增極之間電壓 當(dāng)入射至pmt陰極面上光通量一定時(shí)，ua和ia的關(guān)系曲線為陽(yáng)極伏安特性光電倍增管 主要特性參數(shù)伏安特性陰極伏安特性陽(yáng)極伏安特性電壓較小時(shí)陰/陽(yáng)極電流隨陰/陽(yáng)極電壓的增大而增加，直到陰/陽(yáng)極電壓大于一定值后，陰/陽(yáng)極電流趨向飽和，且與入射光通量 成線性關(guān)系光電倍增管