《光電探測(cè)》光電子發(fā)射探測(cè)器模板

1、光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板3光電子發(fā)射探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)器真空光電器件是基于外光電效應(yīng)（光電子發(fā)射效應(yīng)）制成的光電探測(cè)器。Photoemissive：簡(jiǎn)稱PE探測(cè)器光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板真空光電器件光電管光電倍增管特點(diǎn)：靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和噪聲小 探測(cè)微弱信號(hào)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓高，體積大光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板3.1 光電陰極一、光電陰極的主要參數(shù)1.靈敏度光照靈敏度:光譜靈敏度在光電子發(fā)射探測(cè)器中，具有光電子發(fā)射效應(yīng)的材料稱為光電陰極。完成光電轉(zhuǎn)換的功能光電陰極材料的性能的好壞直接決定探測(cè)器的性能。光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板.量子效率它表示一定波長(zhǎng)的光子入射

2、到光電陰極時(shí)，該陰極所發(fā)射的光電子數(shù)Ne()與入射的光子數(shù)Np()之比。也稱量子產(chǎn)額Q()3.光譜響應(yīng)曲線.熱電子發(fā)射： 引起噪聲，限制探測(cè)靈敏度光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板二、銀氧銫(Ag-O-Cs)光電陰極350nm, 800nm光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板三、單堿銻化物光電陰極金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫中的一種化合，能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射體。最常用的是銻化銫，其陰極靈敏度最高，廣泛用于紫外和可見(jiàn)光區(qū)的光電探測(cè)器中。四、多堿銻化物光電陰極當(dāng)銻和幾種堿金屬形成化合物時(shí)，具有更高的響應(yīng)率光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板五、紫外光電陰極通常來(lái)說(shuō)對(duì)可見(jiàn)光靈敏的光電陰極對(duì)紫外光也有較高的量子

3、效率。有時(shí)，為了消除背景輻射的影響，要求光電陰極只對(duì)所探測(cè)的紫外輻射信號(hào)靈敏，而對(duì)可見(jiàn)光無(wú)響應(yīng)。這樣的光電陰極有碲化銫(CsTe, 320nm)和碘化銫(CsI, 200nm)光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板六、負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極電子親和勢(shì)是指半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部到真空能級(jí)間的能量值，表示了發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，電子逸出的難易程度。 常規(guī)的光電陰極屬于正電子親和勢(shì)(PEA)類型，即表面的真空能級(jí)位于導(dǎo)帶之上。 如果給半導(dǎo)體的表面作特殊處理，使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級(jí)降低到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢(shì)為負(fù)值，經(jīng)過(guò)特殊處理的陰極稱作負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極(NEA)。光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板EA1Eg1E

4、g2EA2Ev1Ec1E0Ec2Ev2SiCs2OEv1EC1EfEAeE0EdEA2Ev2+-Si-CsO2光電陰極：在p型Si基上涂一層金屬Cs，經(jīng)過(guò)特殊處理而形成n型Cs2O。在交界區(qū)形成耗盡層，耗盡區(qū)的電位下降Ed,造成能帶彎曲。對(duì)于P型Si的發(fā)射閾值是Ed1=EA1+Eg1,電子進(jìn)入導(dǎo)帶后需要克服親和勢(shì)EA1才能逸出表面。光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板從Si的導(dǎo)帶底部漂移到表面Cs2O的導(dǎo)帶底部。此時(shí)，電子只需克服EA2就能逸出表面。對(duì)于P型Si的光電子需克服的有效親和勢(shì)為 EAe=EA2-Ed由于能級(jí)彎曲，使EdEA2,這樣就形成了負(fù)電子親和勢(shì)。負(fù)電子親和勢(shì)陰極與正電子親和勢(shì)陰極的區(qū)

5、別：1.參與發(fā)射的電子是導(dǎo)帶的熱化電子，或稱為“冷”電子；光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板.NEA陰極中導(dǎo)帶的電子逸入真空不需作功。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.高吸收，低反射性質(zhì)；2.高量子效率，50%60%, 長(zhǎng)波到達(dá)9%;3.光譜響應(yīng)可以達(dá)到1m以上；4.冷電子發(fā)射光譜能量分布較集中，接近高斯分布5.光譜響應(yīng)平坦；6.暗電流??；7.在可見(jiàn)、紅外區(qū)，能獲得高響應(yīng)度；8.工藝復(fù)雜，售價(jià)昂貴。光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板3.2 光電管與光電倍增管的工作原理一、真空光電管一、真空光電管1、結(jié)構(gòu)與工作原理真空光電管構(gòu)造示意圖真空光電管構(gòu)造示意圖 真空光電管由玻殼、光電陰極和陽(yáng)極三部分組成 。光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器

6、模板光電陰極光電陰極即半導(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。陽(yáng)極陽(yáng)極是金屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極的對(duì)面，加正的高電壓，用來(lái)收集從陰極發(fā)射出來(lái)的電子。 優(yōu)點(diǎn)：光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達(dá)20200A/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)：真空光電管體積大、 工作電壓高,達(dá)百伏到數(shù)百伏、 玻殼容易破碎等 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板二、光電倍增管二、光電倍增管1、光電倍增管組成及工作原理光電倍增管由五個(gè)主要部分組成： 光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、 電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極。 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模

7、板工作原理：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(kāi)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)目更多的二次電子二次電子。入射電子經(jīng)N級(jí)倍增極倍增后，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。光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板光電倍增管工作原理圖光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板.入射窗口和光電陰極結(jié)構(gòu)入射窗口和光電陰極結(jié)構(gòu)光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板硼硅玻璃硼硅玻璃 這是一種常用的玻璃材料，可以透過(guò)從近紅外至300nm的入射光，但不適合于紫外區(qū)的探測(cè)。無(wú)

8、鉀玻璃中只有極低含量的鉀，其中的K40會(huì)造成暗計(jì)數(shù)。所以通常用于閃爍計(jì)數(shù)的光電倍增管不僅入射窗，而且玻璃側(cè)管也使用無(wú)鉀玻璃，就是為了降低暗計(jì)數(shù) 透紫玻璃（透紫玻璃（UVUV玻璃）玻璃） 這種玻璃材料就象其名字所表達(dá)的那樣，可以很好地透過(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，其截止波長(zhǎng)可接近185nm。 窗口材料光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板合成石英合成石英合成石英可以將透過(guò)的紫外光波長(zhǎng)延伸至160nm，并且在紫外區(qū)比熔融石英玻璃有更低的吸收。合成石英材料的膨脹系數(shù)與芯柱用玻璃的膨脹系數(shù)有很大差別，所以，用熱膨脹系數(shù)漸變的封接材料與合成石英逐漸過(guò)渡。因此，此類光電倍增

9、管的強(qiáng)度易受外界震動(dòng)的破壞，使用中要采取足夠的保護(hù)措施。 氟化鎂（鎂氟化物）氟化鎂（鎂氟化物）該材料具有極好的紫外線透過(guò)性，但同時(shí)也有易潮解的不利因素。盡管如此，氟化鎂仍以其接近115nm的紫外透過(guò)能力而成為一種實(shí)用的光窗材料。 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板.電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)是適當(dāng)設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)，作用：使前一級(jí)發(fā)射出來(lái)的電子盡可能沒(méi)有散失地落到 下一個(gè)倍增極上，即使下一級(jí)的收集率接近1；并使前一級(jí)各部分發(fā)射出來(lái)的電子，落到后一級(jí)上所經(jīng)歷的時(shí)間盡可能相同，即渡越時(shí)間零散最小。 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板4.電子倍增極電子倍增極二次電子發(fā)射：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)

10、射新的電子。二次發(fā)射系數(shù)：二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射的一次電子數(shù)N1的比值12NN光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板倍增級(jí)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在使用的電子倍增系統(tǒng)主要有以下幾類：環(huán)形聚焦型環(huán)形聚焦型 環(huán)形聚焦型結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于側(cè)窗型光電倍增管。其主要特點(diǎn)為緊湊的結(jié)構(gòu)和快速時(shí)間響應(yīng)特性。 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板盒柵型盒柵型 這種結(jié)構(gòu)包括了一系列的四分之一圓柱形的倍增極，并因其相對(duì)簡(jiǎn)單的倍增極結(jié)構(gòu)和一致性的改良而被廣泛地應(yīng)用于端窗型光電倍增管，但在一些應(yīng)用中，其時(shí)間響應(yīng)可能略顯緩慢。 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板直線聚焦型直線聚焦型直線聚焦型因其極快的時(shí)間響應(yīng)而被廣泛地應(yīng)用于要求時(shí)間分辨和線性脈沖研究用的端窗型光

11、電倍增管中。 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板百葉窗型百葉窗型百葉窗型結(jié)構(gòu)因倍增極可以較大而被用于大陰極的光電倍增管中，其一致性較好，可以有大的脈沖輸出電流。這種結(jié)構(gòu)多用于不太要求時(shí)間響應(yīng)的場(chǎng)合。 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板 細(xì)網(wǎng)型細(xì)網(wǎng)型 細(xì)網(wǎng)型結(jié)構(gòu)擁有封閉的精密組合的網(wǎng)狀倍增極，而使其具有極強(qiáng)的抗磁性、一致性和脈沖線性輸出特性。另外，當(dāng)使用交疊陽(yáng)極或多陽(yáng)極結(jié)構(gòu)輸出情況下，還具有位置靈敏特性。 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板微通道板（微通道板（MCPMCP）型）型MCP是上百萬(wàn)的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成為薄形盤(pán)片狀而形成。每個(gè)通道都是一個(gè)獨(dú)立的電子倍增器。MCP比任何分離電極倍增極結(jié)構(gòu)具有

12、超快的時(shí)間響應(yīng)，并且當(dāng)采用多陽(yáng)極輸出結(jié)構(gòu)時(shí)，在磁場(chǎng)中仍具有良好的一致性和二維探測(cè)能力。 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板5.陽(yáng)極陽(yáng)極作用是接收從末級(jí)倍增極發(fā)射出的二次電子，通過(guò)引線向外輸出電流。對(duì)于陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)要求具有較高的電子收集率，能承受較大的電流密度，并且在陽(yáng)極附近的空間不至于產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板3.3 光電倍增管的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要特性參數(shù)一、靈敏度一、靈敏度靈敏度是衡量光電倍增管探測(cè)光信號(hào)能力的一個(gè)重要參數(shù)光譜響應(yīng)陰極靈敏度陽(yáng)極靈敏度光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板陰極光照靈敏度：陰極光照靈敏度：陰極輸出光電流Ik與入射到光電陰極面上的光通量之比：kkISGV

13、+HVEAEAIISkkk10-510-2 lm光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板陽(yáng)極光照靈敏度陽(yáng)極光照靈敏度表示光電倍增管在接收分布溫度為2856K的光輻射時(shí)陽(yáng)極輸出電流與入射光通量的比值：ppISGVHVEA10-1010-6 lm光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板二、放大倍數(shù)二、放大倍數(shù)( (增益增益) )光電倍增管的陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流，可以放大成較大的陽(yáng)極輸出電流： 二次電子發(fā)射，產(chǎn)生多于光電子數(shù)目的電子流。連續(xù)地重復(fù)這一過(guò)程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射被陽(yáng)極收集，從而達(dá)到了電流放大的作用。電流增益就是光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與陰極光電子電電流增益就是光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與陰極光電子

14、電流的比值流的比值。在理想情況下，具有n個(gè)倍增極，每個(gè)倍增極的平均二次電子發(fā)射率為的光電倍增管的電流增益為 n。二次電子發(fā)射率由下式給出： 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板8 . 07 . 0,CV這里的C為一常數(shù)，V為極間電壓，為一由倍增極材料及其幾何結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)，的數(shù)值一般介于0.7和0.8之間。 如果光電倍增有n級(jí)倍增級(jí)，那么光電陰極發(fā)射的光電流經(jīng)過(guò)各級(jí)倍增極倍增后，從陽(yáng)極輸出的電流:)()(22110nnkpII為電子光學(xué)系統(tǒng)的收集率； . n 倍增極的電子收集率1 2 n倍增極二次電子發(fā)射系數(shù)光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板設(shè)陽(yáng)極電子收集率為1，如果各倍增極的電子收集率和二次電子發(fā)射系數(shù)，

15、那么光電倍增管的放大倍數(shù)knnknkpAVnVCIIM)1()(00kpSSM 放大倍數(shù)也可以表示為VdVknMdM光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板三、暗電流三、暗電流暗電流是指在施加規(guī)定的電壓后，在無(wú)光照情況下測(cè)定的陽(yáng)極電流。暗電流決定光電倍增管的極限靈敏度暗電流組成熱電子發(fā)射極間漏電流殘余氣體的離子發(fā)射玻璃閃爍場(chǎng)致發(fā)射光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板減小暗電流的方法直流補(bǔ)償選頻和鎖相放大致冷電磁屏蔽法磁場(chǎng)散焦法PMT光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板四、噪聲散粒噪聲閃爍噪聲電阻熱噪聲光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板五、伏安特性.陰極伏安特性當(dāng)入射光通量一定時(shí)，陰極光電流與陰極和第

16、一倍增極之間的電壓關(guān)系.Ik(nA)312Vk(V)光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板2.陽(yáng)極伏安特性當(dāng)入射光通量一定時(shí)，陽(yáng)極光電流與最后一級(jí)倍增極和陽(yáng)極之間的電壓關(guān)系Ik(uA)312Vp(V)光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板六、線性 造成非線性的原因: (1)內(nèi)因空間電荷、光電陰極的電阻率、 聚集或收集率的變化；(2)外因由于信號(hào)電流造成負(fù)載電阻的負(fù) 反饋和電壓的再分配。光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板七、穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指陽(yáng)極電流隨工作時(shí)間的變化，它在閃爍記數(shù)和光度測(cè)量中顯得很重要。.靈敏度的慢漂移2.滯后效應(yīng)光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板八、響應(yīng)時(shí)間： 入射光變化 輸出電信號(hào)的變化 1. 上升時(shí)間 2.

17、 渡越時(shí)間九、磁場(chǎng)特性 磁場(chǎng)變化時(shí)，光電子運(yùn)動(dòng)軌跡的偏移光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板3.4 光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路一、高壓供電.供電電壓的極性陽(yáng)極接地負(fù)高壓供電：陽(yáng)極接地負(fù)高壓供電：陽(yáng)極信號(hào)輸出方便，可以直流輸出。但由于陰極屏蔽困難，陽(yáng)極輸出暗電流和噪聲較大。陰極接地的正高壓供電：陰極接地的正高壓供電：陽(yáng)極信號(hào)輸出必須通過(guò)耐高壓、噪聲小的隔直流電容器，因此只能輸出交流信號(hào)。但可以得到較低的暗電流和噪聲。光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板、分壓器設(shè)計(jì)GKPR1R2R3R4R5R7R61.DC輸出型光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板理想曲線真實(shí)曲線入射光通量輸出電流與分壓器電流比光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)

18、器模板2脈沖輸出型GKPR1R2R3R4R5R7R6光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板二、信號(hào)輸出 光電倍增管輸出一個(gè)電流信號(hào)，而與其相聯(lián)的后續(xù)電路，一般是基于電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的，因此，常用一個(gè)負(fù)載電阻來(lái)完成電流-電壓的轉(zhuǎn)換。在此，我們來(lái)研究一下負(fù)載電阻的選取。由于光電倍增管輸出電流很小，而且實(shí)際上常常將其看作一個(gè)恒流源，因此，一般認(rèn)為負(fù)載電阻可以任意大地選取，從而從一個(gè)較低的電流信號(hào)，得到一個(gè)很高的電壓信號(hào)。但是實(shí)際上，較大的負(fù)載電阻會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)和輸出線性的惡化。光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板若負(fù)載電阻為RL，光電倍增管陽(yáng)極和其它電極之間的靜電電容量以及由于布線等引起的雜散電容量的總和為Cs，則截止

19、頻率fc： 上式可以看到，盡管光電倍增管和放大器有極快的響應(yīng)時(shí)間，輸出線路響應(yīng)也將受到截止頻率fc的限制。如果負(fù)載電阻RL值較高，在較高輸出電流情況下，負(fù)載電阻將導(dǎo)致陽(yáng)極電位電壓降增大，造成陽(yáng)極-末倍增極電壓降低，從而降低了輸出線性（輸出電流與入射光的比例關(guān)系）。 LscRCf21光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板.運(yùn)算放大器輸出PMTVRfCfpfIRV0輸出的電壓這是一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的IV(電流電壓)轉(zhuǎn)換器光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板3.5 光電倍增管的應(yīng)用一、光譜學(xué)光譜學(xué)-利用光吸收原理利用光吸收原理 1.1.紫外紫外/可見(jiàn)可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)近紅外分光光度計(jì) 光通過(guò)物質(zhì)時(shí)使物質(zhì)的電子狀態(tài)發(fā)生變化，而失去部分能量，稱為吸收。利用吸收進(jìn)行定量分析:為確定樣品物質(zhì)的量，采用連續(xù)的光譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)行掃描，并利用光電倍增管檢測(cè)光通過(guò)被測(cè)物質(zhì)前后的強(qiáng)度，即可得到被測(cè)物質(zhì)吸收程度，計(jì)算出物質(zhì)的量。 光電探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器模板2.2.