光電子發(fā)射探測器

1、 第三章第三章 光電探測器光電探測器 華中科技大學華中科技大學 第三章第三章 光電探測器光電探測器光電發(fā)射器件是基于外光電效應的器件光電發(fā)射器件是基于外光電效應的器件(PE-Photo Emission)dynodeMicrochannel plates 光電管光電管光電倍增管光電倍增管像增強管像增強管優(yōu)點優(yōu)點：靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應速度快和噪聲?。红`敏度高、穩(wěn)定性好、響應速度快和噪聲小缺點：缺點：結構復雜，工作電壓高，體積大結構復雜，工作電壓高，體積大光電發(fā)射器件的特點光電發(fā)射器件的特點 許多應用領域被性價比更高、體積小巧便于集許多應用領域被性價比更高、體積小巧便于集成的半導體光電器件所替

2、代，但在成的半導體光電器件所替代，但在微弱光信號探測、微弱光信號探測、快速光脈沖探測快速光脈沖探測等方面仍占優(yōu)勢。等方面仍占優(yōu)勢。一、光電陰極的主要參數一、光電陰極的主要參數1. 靈敏度2. 量子效率3. 光譜響應4. 暗電流1. 靈敏度靈敏度包括光譜靈敏度與積分靈敏度。（1) 光譜靈敏度 定義在單色（單一波長）輻射作用于光電陰極時，光電陰極輸出電流Ik與單色輻射通量e,之比為光電陰極的光譜靈敏度Se,。e,Ke,IS（A/W或A/W）0e,KedIS780380v,KdISV.量子效率量子效率p,e,NNe,e,e,K1240qhc/q/SShI3. 光譜響應曲線光譜響應曲線 光電發(fā)射陰極的

3、光譜靈敏度或量子效率與入射輻射光電發(fā)射陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關系曲線稱為光譜響應波長的關系曲線稱為光譜響應。 4. 暗電流暗電流 光電發(fā)射陰極中少數處于較高能級的電子在室溫下光電發(fā)射陰極中少數處于較高能級的電子在室溫下獲得了熱能產生獲得了熱能產生熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射，形成暗電流。光電發(fā)射陰，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。一般光電發(fā)射極的暗電流與材料的光電發(fā)射閾值有關。一般光電發(fā)射陰極的暗電流極低，其強度相當于陰極的暗電流極低，其強度相當于10-1610-18A/cm2的電的電流密度。流密度。 二、光電陰極材料二、光電陰極材料1. 單堿與多堿銻化物

4、光陰極單堿：單堿：金屬銻（金屬銻（Sb）與堿金屬鋰（）與堿金屬鋰（Li）、鈉（）、鈉（Na）、鉀）、鉀（K）、銣）、銣(Rb)、銫（、銫（Cs）中的一種化合，能形成具有穩(wěn)定）中的一種化合，能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射體。光電發(fā)射的發(fā)射體。最常用的是最常用的是銻化銫銻化銫(Cs3Sb) ，其陰極靈敏度最高。長波限約為，其陰極靈敏度最高。長波限約為650nm，對紅外不靈敏，廣泛用于紫外和可見光區(qū)的光電探，對紅外不靈敏，廣泛用于紫外和可見光區(qū)的光電探測器中。銻化銫陰極的峰值量子效率較高，測器中。銻化銫陰極的峰值量子效率較高，一般高達一般高達20%30%，比銀氧銫光電陰極高比銀氧銫光電陰極高30多倍。

5、多倍。多堿多堿：兩種或三種堿金屬與銻化合形成多堿銻化物光陰極。：兩種或三種堿金屬與銻化合形成多堿銻化物光陰極。其其量子效率峰值可高達量子效率峰值可高達30%。暗電流低，光譜響應范圍寬。暗電流低，光譜響應范圍寬。雙堿陰極雙堿陰極銻鉀鈉（銻鉀鈉（Na2KSb），銻銫鉀（），銻銫鉀（K2CsSb） ；三堿陰三堿陰極極銻鉀鈉銫（銻鉀鈉銫（NaKSb Cs）2. 銀氧銫與鉍銀氧銫光電陰極銀氧銫與鉍銀氧銫光電陰極 銀氧銫銀氧銫(Ag-O-Cs)陰極是最早使用的實用光陰極。陰極是最早使用的實用光陰極。它的特點它的特點是對近紅外輻射靈敏。是對近紅外輻射靈敏。制作過程是先在真空玻璃殼壁上涂上一制作過程是先在真空

6、玻璃殼壁上涂上一層銀膜再通入氧氣，通過輝光放電使銀表面氧化，對于半透明層銀膜再通入氧氣，通過輝光放電使銀表面氧化，對于半透明銀膜由于基層電阻太高，不能用放電方法而用射頻加熱法形成銀膜由于基層電阻太高，不能用放電方法而用射頻加熱法形成氧化銀膜，再引入銫蒸汽進行敏化處理，形成氧化銀膜，再引入銫蒸汽進行敏化處理，形成Ag-O-Cs薄膜。薄膜。 銀氧銫光電陰極的光譜響應有兩個峰值，一個在銀氧銫光電陰極的光譜響應有兩個峰值，一個在350 nm處，處，一個在一個在800 nm處。光譜范圍在處。光譜范圍在300 nm到到1200 nm之間。量子效之間。量子效率不高，峰值處約率不高，峰值處約0.5%1%左右。

7、左右。 銀氧銫使用溫度可達銀氧銫使用溫度可達100，但暗電流較大，且隨溫度變，但暗電流較大，且隨溫度變化較快。化較快。 將近紅外區(qū)具有高靈敏度的將近紅外區(qū)具有高靈敏度的Ag-O-Cs陰極和藍光陰極和藍光區(qū)具有高靈敏度的區(qū)具有高靈敏度的Bi-Cs-O陰極相結合，可以獲得在陰極相結合，可以獲得在整個可見光譜內有較均勻響應和高靈敏度的鉍銀氧銫整個可見光譜內有較均勻響應和高靈敏度的鉍銀氧銫光電陰極。光電陰極。 鉍銀氧銫光電陰極制作方法很多，四種元素可以鉍銀氧銫光電陰極制作方法很多，四種元素可以有不同的結合次序，如有不同的結合次序，如Bi-Ag-O-Cs, Bi-O-Ag-Cs, Ag-Bi-O-Cs等

8、。等。量子效率可達量子效率可達10，約為約為Cs3Sb光電陰極光電陰極的一半，其優(yōu)點是的一半，其優(yōu)點是光譜響應與人眼相匹配光譜響應與人眼相匹配。3. 紫外光電陰極紫外光電陰極 通常來說，對可見光靈敏的光電陰極對紫外光也有較高的量子效率。有時，為了消除背景輻射的影響，要求光電陰極只對所探測的紫外輻射信號靈敏，而對可見光無響應。這種陰極通常稱為“日盲”（solar blind）型光電陰極。 目前，比較實用的“日盲”型光電陰極有碲化銫(CsTe, c320nm)和碘化銫(CsI, c 200nm)，日盲型光電倍增管是一種裝置于空間衛(wèi)星上進行紫外輻射探測，以及應用在原子分光光度計和核酸蛋白檢測儀上進行

9、紫外光譜檢測的光電轉換器件。4. 負電子親和勢（負電子親和勢（NEA: Negative Electro-affinity）光電陰極）光電陰極常規(guī)的光電陰極屬于正電子親和勢(PEA)類型，即表面的真空能級位于導帶之上。 如果給半導體(-族)的表面作特殊處理，使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級降低到導帶之下，從而使有效的電子親和勢為負值，這種能帶彎曲勢必影響導帶中電子逸出所需的能量，也就改變了光電逸出功。 經過特殊處理的陰極稱作負電子親和勢負電子親和勢(NEA) 光電陰極光電陰極.特點：特點：1.高吸收，低反射性質；2.高量子效率，50%60%, 長波到達9%;3.光譜響應可以達到1m以上；4.冷電子

10、發(fā)射光譜能量分布較集中，比較平坦5.暗電流??；6.在可見、紅外區(qū)，能獲得高響應度；7.工藝復雜，售價昂貴。 喬建良； 常本康； 錢蕓生等，負電子親和勢GaN光電陰極光譜響應特性研究， 物理學報2010年05期 一、光電管一、光電管 光電管分為光電管分為真空光電管和充氣光電管真空光電管和充氣光電管。真空光。真空光電管主要由光電陰極和陽極兩部分組成，因管內常電管主要由光電陰極和陽極兩部分組成，因管內常被抽成真空而稱為真空光電管。然而，有時為了使被抽成真空而稱為真空光電管。然而，有時為了使某種性能提高，在管殼內也充入某些低氣壓惰性氣某種性能提高，在管殼內也充入某些低氣壓惰性氣體形成充氣型的光電管。無

11、論真空型還是充氣型均體形成充氣型的光電管。無論真空型還是充氣型均屬于光電發(fā)射型器件，稱為光電管。屬于光電發(fā)射型器件，稱為光電管?；虺錃鈨?yōu)點：優(yōu)點：光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達達20200A/lm；暗電流小，最低可達暗電流小，最低可達10-14A；光電發(fā)射弛豫過程極短光電發(fā)射弛豫過程極短二、像增強管（像管）二、像增強管（像管）由安裝在高真空管殼內的光電陰極、電子透鏡（有靜電聚焦和磁聚焦兩種）由安裝在高真空管殼內的光電陰極、電子透鏡（有靜電聚焦和磁聚焦兩種）和熒光屏三部分組成。它的工作原理是將投射在光陰極上的光學圖像轉變成和熒光屏三部分

12、組成。它的工作原理是將投射在光陰極上的光學圖像轉變成電子像，電子透鏡將電子像聚焦并加速投射到熒光屏上產生增強的像，然后電子像，電子透鏡將電子像聚焦并加速投射到熒光屏上產生增強的像，然后用照相方法記錄下來。用照相方法記錄下來。主要用作夜視儀，目前已發(fā)展到第四代主要用作夜視儀，目前已發(fā)展到第四代1. 工作原理：工作原理：（1）光子透過）光子透過入射窗口入射窗口入射在入射在光電陰極光電陰極上上;（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）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）光電子通過電場加速和）光電子通過電場加速和電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)聚焦入射到第一聚焦入射到第一倍

13、增倍增級級上，倍增級將發(fā)射出比入射電子數目更多的上，倍增級將發(fā)射出比入射電子數目更多的二次電子二次電子。入射電。入射電子經子經N級倍增極倍增后，光電子就放大級倍增極倍增后，光電子就放大N次；次；（4）經過倍增后的二次電子由）經過倍增后的二次電子由陽極陽極收集，形成陽極光電流。收集，形成陽極光電流。2. 光電倍增管的基本組成光電倍增管的基本組成（1）光窗）光窗側窗型（側窗型（sideon）:從側面接收入射光。從側面接收入射光。l使用使用不透明光陰極（反射式光陰極）不透明光陰極（反射式光陰極）和和環(huán)形聚焦型環(huán)形聚焦型電子電子倍增極結構，這種結構能夠使其在較低的工作電壓下具有倍增極結構，這種結構能夠

14、使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。較高的靈敏度。l單價比較便宜（一般數百元單價比較便宜（一般數百元/只），在分光光度計、旋光只），在分光光度計、旋光儀和常規(guī)光度測定方面具有廣泛的應用。儀和常規(guī)光度測定方面具有廣泛的應用。端窗型（端窗型（headon）：）：也稱也稱頂窗型頂窗型，從頂部接收入射光。，從頂部接收入射光。l在其入射窗的內表面上沉積了在其入射窗的內表面上沉積了半透明的光陰極（透過式半透明的光陰極（透過式光陰極），光陰極），這使其具有優(yōu)于側窗型的均勻性。這使其具有優(yōu)于側窗型的均勻性。l其價格一般在千元以上?，F在還出現其價格一般在千元以上。現在還出現了針對高能物理實驗用的可以廣角度捕

15、了針對高能物理實驗用的可以廣角度捕獲入射光的大尺寸半球形光窗的光電倍增管。獲入射光的大尺寸半球形光窗的光電倍增管。結結構構分分類類光窗是入射光的通道，同時也是對光吸收較多的部分。因為玻璃對光的吸收與波長有關，波長越短吸收的越多，所以倍增管光譜特性的短波閾值決定于光窗材料。設計時根據透過波長的要求來選用。常采用的窗口材料有鈉鈣玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔石英玻璃和氟化鎂玻璃。材材料料分分類類（2）光電陰極）光電陰極主要決定倍增管光譜特性的長波閾值。whccW為逸出功為逸出功（量子效率較高）（量子效率較高）兩種工作模式下兩種工作模式下量子效率相差較量子效率相差較大的主要影響因大的主要影響因素是素是

16、后界面復合后界面復合速率和材料厚度速率和材料厚度 （3）電子光學系統(tǒng)）電子光學系統(tǒng)通過適當設計的電極結構，使前一級發(fā)射出來的通過適當設計的電極結構，使前一級發(fā)射出來的電子盡可能沒有散失地落到下一個倍增極上，也就電子盡可能沒有散失地落到下一個倍增極上，也就是使是使下一級的收集率接近于下一級的收集率接近于1；使前一級各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級上使前一級各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級上所經歷的時間盡可能相同，即所經歷的時間盡可能相同，即渡越時間離散最小渡越時間離散最小。（4）倍增系統(tǒng)）倍增系統(tǒng)二次電子發(fā)射：具有一定能量的電子入射到倍增極后，將激發(fā)二次電子，一般產生的二次電子數N2大于入射電子

17、數N1 ，這種現象稱為二次電子發(fā)射，通常用二次發(fā)射系數（倍增系數）定義： N2 /N1 （a）倍增極材料）倍增極材料一般，光電發(fā)射性能良好的陰極材料也是良好的二次發(fā)射體 銻化銫（CsSb）材料具有很好的二次電子發(fā)射功能，它可以在較低的電壓下產生較高的發(fā)射系數，電壓高于400V時的值可高達10倍。 氧化的銀鎂合金材料也具有二次電子發(fā)射功能，它與銻化銫相比二次電子發(fā)射能力稍差些，但它可以工作在較強電流和較高的溫度（150）。 銅-鈹合金（鈹的含量為2%）材料的發(fā)射系數比銀鎂合金更低些。 負電子親和勢材料GaPCs，具有更高的二次電子發(fā)射功能，在電壓為1000V時，倍增系數可大于50或高達200。

18、（b） 倍增極結構倍增極結構非聚焦型非聚焦型：倍增極間的電子束是平行的。：倍增極間的電子束是平行的。百葉窗型百葉窗型（圖（圖a）盒柵式盒柵式（圖（圖b）聚焦型聚焦型：倍增極間電子束軌跡在兩電極間有交叉；：倍增極間電子束軌跡在兩電極間有交叉；瓦片靜電（直列）聚焦型瓦片靜電（直列）聚焦型（圖（圖c）圓形鼠籠式圓形鼠籠式（圖（圖d）e.e.細網型：細網型：該結構有封閉的精密組合網狀倍增級，因而具有極強該結構有封閉的精密組合網狀倍增級，因而具有極強的抗磁性、一致性和脈沖線性輸出特性。另外，在使用交疊陽極的抗磁性、一致性和脈沖線性輸出特性。另外，在使用交疊陽極或多極結構輸出的情況下，還具有位置靈敏的特性

19、?；蚨鄻O結構輸出的情況下，還具有位置靈敏的特性。f.f.微通道板（微通道板（MCPMCP）型）型 ：是將上百萬的微小玻璃管（通道）彼此是將上百萬的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成為薄形盤片狀而形成的。這種結構的每個通道都是一平行地集成為薄形盤片狀而形成的。這種結構的每個通道都是一個獨立的電子倍增器。個獨立的電子倍增器。MCPMCP比任何分離電極的倍增極結構都具有超比任何分離電極的倍增極結構都具有超快的時間響應，并且當采用多陽極輸出結構時，這種結構的光電快的時間響應，并且當采用多陽極輸出結構時，這種結構的光電倍增管在磁場中仍具有良好的一致性和極強的二維探測能力。倍增管在磁場中仍具有良好的一致性和

20、極強的二維探測能力。g.g.金屬通道型：金屬通道型：是濱松公司采用獨有的機械加工技術所創(chuàng)造的緊是濱松公司采用獨有的機械加工技術所創(chuàng)造的緊湊型陽極結構，其各個倍增極之間的狹窄通道空間特性使其比任湊型陽極結構，其各個倍增極之間的狹窄通道空間特性使其比任何常規(guī)結構的光電倍增管都具有更快的時間響應速度。金屬通道何常規(guī)結構的光電倍增管都具有更快的時間響應速度。金屬通道型光電倍增管適用于位置靈敏度要求比較高的探測方面。型光電倍增管適用于位置靈敏度要求比較高的探測方面。 h.h.混合型：混合型：將上述結構中的兩種結構相互混合而形成的復合型結將上述結構中的兩種結構相互混合而形成的復合型結構?；旌辖Y構的倍增極一

21、般都可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。構。混合結構的倍增極一般都可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。聚焦：響應快，高速，但均勻性較差聚焦：響應快，高速，但均勻性較差非聚焦：響應不及聚焦型，但均勻性好，收集效率高非聚焦：響應不及聚焦型，但均勻性好，收集效率高（5）陽極 陽極作用是接收從末級倍增極發(fā)射出的二次電子，通過引線向外輸出倍增后的電流。 要求：具有較高的電子收集率（多采用柵網狀結構）；能承受較大的電流密度；并且在陽極附近的空間不至于產生空間電荷效應?？臻g電荷限制電流空間電荷限制電流 1 1、陰極靈敏度、陰極靈敏度 陰極光譜靈敏度陰極光譜靈敏度：陰極電流：陰極電流IK與入射單色輻射通量之比。與入射單色輻射通量之比。e,K

22、 ,KIS陰極積分靈敏度陰極積分靈敏度：IK與光譜輻射總通量的積分之比。與光譜輻射總通量的積分之比。0e,KKdISGV+HVEKEAIISKKK10-510-2 lm陰極積分靈敏度的測量陰極積分靈敏度的測量 測試積分靈敏度所用的光源，多為標準A光源（色溫2856K的白熾鎢絲燈）。測量時以光電陰極為一極，K和地之間接檢流計，陽極與其它各電極連在一起為另一級，在其間加100300V的電壓。照在陰極上的光通量大致選在 10-510-2 lm量級。A陽極光譜靈敏度：陽極輸出電流陽極光譜靈敏度：陽極輸出電流I IA A與入射單色輻射通量之比。與入射單色輻射通量之比。 e, ,AISA陽極積分靈敏度：陽

23、極積分靈敏度：陽極輸出電流陽極輸出電流IA與入射輻射通量之比。與入射輻射通量之比。0e,AAdISppISGVHVEK10-1010-6 lm陽極積分靈敏度的測量陽極積分靈敏度的測量 A測量時光電陰極K與HV短路，陽極A和地之間接檢流計。3. 3. 電流放大倍數電流放大倍數( (增益增益) ) 在一定工作電壓下，電流增益就是光電倍增管的在一定工作電壓下，電流增益就是光電倍增管的陽極輸出電流陽極輸出電流IA與陰極電流與陰極電流IK的比值。的比值。KAKAmSSIIG（1） 當考慮到光電陰極發(fā)射出的電子被第當考慮到光電陰極發(fā)射出的電子被第1倍增極所收集，倍增極所收集，其收集系數為其收集系數為f f

24、，且每個倍增極都存在收集系數，且每個倍增極都存在收集系數g g，則，則增益增益G修正為：修正為： n)(gfGm理想情況下，具有理想情況下，具有n個倍增極，每個倍增極的平均二次個倍增極，每個倍增極的平均二次電子發(fā)射率為電子發(fā)射率為的電流增益為：的電流增益為：nmG（2） （3） 對于非聚焦型光電倍增管，對于非聚焦型光電倍增管，f f近似為近似為90%，g g要高于要高于f f，但小于但小于1；對于聚焦型的，尤其是在陰極與第；對于聚焦型的，尤其是在陰極與第1倍增極之間倍增極之間具有電子限束電極具有電子限束電極F的倍增管，其的倍增管，其fg fg 1，可以用式，可以用式（2）計算增益）計算增益G。

25、 倍增極的二次電子發(fā)射系數倍增極的二次電子發(fā)射系數可用經驗公式計算，可用經驗公式計算，對于銻化銫（對于銻化銫（Cs3Sb）倍增極材料有經驗公式：）倍增極材料有經驗公式： 0.7DD)(2 . 0U（4） 對氧化的銀鎂合金對氧化的銀鎂合金(AgMgOCs）材料有經驗公式）材料有經驗公式DD025. 0U代入（代入（2）式，得）式，得（5） 0.7nDDn(0.2) UG 對于銻化銫倍增極材料對于銻化銫倍增極材料 對銀鎂合金材料對銀鎂合金材料 nDDn(0.025) UG （6） （7） 4. 4. 暗電流暗電流 光電倍增管在無輻射作用下的陽極輸出電流稱為暗電流，記為光電倍增管在無輻射作用下的陽極

26、輸出電流稱為暗電流，記為ID。光電倍增管的暗電流值在正常應用的情況下是很小的，一般。光電倍增管的暗電流值在正常應用的情況下是很小的，一般為為10-1610-10A，是所有光電探測器件中暗電流最低的器件。是所有光電探測器件中暗電流最低的器件。 影響暗電流的主要因素：影響暗電流的主要因素： （2） 熱發(fā)射 由于光電陰極材料的光電發(fā)射閾值較低，容易產生熱電子發(fā)射，即使在室溫下也會有一定的熱電子發(fā)射，并被電子倍增系統(tǒng)倍增。正常工作時，它是暗電流的主要成份 KTthq4/5tdeAETI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。 （3 3）殘余氣體放電）殘余氣體放電 光電倍增管中高速運動的電子會

27、使管中的殘余氣體電離，產光電倍增管中高速運動的電子會使管中的殘余氣體電離，產生正離子和光子，它們也將被倍增，形成暗電流。這種效應在工生正離子和光子，它們也將被倍增，形成暗電流。這種效應在工作電壓高時特別嚴重，使倍增管工作不穩(wěn)定。作電壓高時特別嚴重，使倍增管工作不穩(wěn)定。 （4 4）場致發(fā)射）場致發(fā)射 光電倍增管的工作電壓高時還會引起管內電極尖端或棱角的光電倍增管的工作電壓高時還會引起管內電極尖端或棱角的場強太高產生的場致發(fā)射暗電流。顯然降低工作電壓場致發(fā)射暗場強太高產生的場致發(fā)射暗電流。顯然降低工作電壓場致發(fā)射暗電流也將下降。電流也將下降。 （5 5）玻璃殼放電和玻璃熒光）玻璃殼放電和玻璃熒光

28、當光電倍增管負高壓使用時，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場當光電倍增管負高壓使用時，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場很強，尤其是金屬屏蔽層與處于負高壓的陰極電場最強。在強電場很強，尤其是金屬屏蔽層與處于負高壓的陰極電場最強。在強電場下玻璃殼可能產生放電現象或出現玻璃熒光，放電和熒光都要引起下玻璃殼可能產生放電現象或出現玻璃熒光，放電和熒光都要引起暗電流，而且還將嚴重破壞信號。因此，在陰極為負高壓應用時屏暗電流，而且還將嚴重破壞信號。因此，在陰極為負高壓應用時屏蔽殼與玻璃管壁之間的距離至少為蔽殼與玻璃管壁之間的距離至少為1020mm1020mm。 暗電流溫度特性暗電流溫度特性暗電流與電源電壓關系暗電流與

29、電源電壓關系減小暗電流的方法直流補償在倍增管陽極輸出回路中加上與在倍增管陽極輸出回路中加上與暗電流方向相反的直流成份暗電流方向相反的直流成份致冷電磁屏蔽法磁場散焦法PMTVCIb選頻和鎖相放大入射光調制，信號輸出選頻濾掉直流，入射光調制，信號輸出選頻濾掉直流，鎖相放大提高信噪比鎖相放大提高信噪比將倍增管裝在高導磁率的金屬圓筒中，防止周圍磁場干擾將倍增管裝在高導磁率的金屬圓筒中，防止周圍磁場干擾合理利用磁場將陰極邊緣暗電流的電子散射掉合理利用磁場將陰極邊緣暗電流的電子散射掉降低熱發(fā)射電子降低熱發(fā)射電子5. 噪聲及最小可探測功率ENI散粒噪聲閃爍噪聲電阻熱噪聲 光電倍增管的噪聲主要由器件本身的散粒

30、噪聲、閃爍噪聲和負載電阻的熱噪聲組成。a2na4RfkTI散粒噪聲主要由暗電流散粒噪聲主要由暗電流Id，背，背景輻射電流景輻射電流Ib以及信號電流以及信號電流Is的散粒效應所引起。的散粒效應所引起。由光電陰極發(fā)射的偶然起伏和倍增極材料的變化由光電陰極發(fā)射的偶然起伏和倍增極材料的變化引起，是一種引起，是一種1/f噪聲（低頻噪聲）。噪聲（低頻噪聲）。fGeIIm a2nDn2總噪聲電流為 fGeIRfkTImn aa224在設計光電倍增管電路時，總是力圖使負載電阻的熱噪聲遠小于散粒噪聲 RfkTa4fGeIm a2設光電倍增管的增益G=104，暗電流Ia=10-14A，在室溫300K情況下，只要陽

31、極負載電阻Ra滿足 k522kT4aamGqIR即可達到實際應用中，陽極電流常為微安級，為使陽極得到適當的輸出電壓，陽極電阻總要大于52kfGeIIm a2n2由由SfGeIENIm a26. 伏安特性（）陰極伏安特性 當入射光通量一定時，陰極光電流Ik與陰極和第一倍增極之間的電壓Uk（陰極電壓）的關系。（2）陽極伏安特性 當入射光通量一定時，陽極電流Ia與陽極和末級倍增極之間電壓(陽極電壓Ua)的關系。圖為3組不同強度的光通量的伏安特性。當陽極電壓增大到一定程度后，被增大的電子流已經能夠完全被陽極所收集，陽極電流Ia與入射到陰極面上的光通量成線性關系而與陽極電壓的變化無關。 7. 線性造成非

32、線性的原因:內因空間電荷、光電陰極的電阻率、聚集或收集率的變化；外因光電倍增管輸出信號電流在負載電阻上的壓降對末級倍增極電壓產生負反饋和電壓的再分配都可能破壞輸出信號的線性（分壓器效應）。 光電倍增管的線性一般由它的陽極伏安特性表示，它是光電測量系統(tǒng)中的一個重要指標。線性不僅與光電倍增管的內部結構有關，還與供電電路及信號輸出電路等因素有關。 參考文獻：劉君紅; 劉俊勇; 管興胤，光電倍增管線性特性、時間特性參數調試，核電子學與探測技術2005/06 8. 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指陽極電流隨工作時間的變化，它在閃爍記數和光度測量中顯得很重要。（）靈敏度的慢漂移不穩(wěn)定性主要表現在： 慢漂移主要是由于最后

33、幾級倍增極在大量電子轟擊下受損，引起二次發(fā)射系數變化。靈敏度的兩種變化：1）老化：不可逆。光電倍增管的殘余氣體與光電陰極作用，玻璃中的Na離子摻入光電陰極而使靈敏度下降；長期使用過程中二次發(fā)射材料的過載也產生同樣的結果。2）疲勞：可逆。同陽極電流、倍增極材料以及使用前的存放條件有關。如將使用一段時間后，靈敏度有所下降的倍增管在黑暗中放置幾小時，靈敏度又可恢復到原來狀態(tài)。減小陽極電流會顯著減弱疲勞現象。（2） 滯后效應（Hysteresis）在光電倍增管加上高壓或開始光照的短時間內（幾秒或幾十秒），陽極輸出電流存在短暫的不穩(wěn)定，這種現象稱為滯后效應。主要由于電子偏離設計的軌跡及倍增極的陶瓷支架和

34、玻殼等靜電作用引起的。%100minmaxiIIIHIiIminImax滯后系數無光照持續(xù)1分鐘重新光照后1分鐘內的最大值重新光照后1分鐘內的最小值陽極正常輸出電流10. 磁場特性 大部分光電倍增管都會受到周圍磁場環(huán)境的影響。光電子大部分光電倍增管都會受到周圍磁場環(huán)境的影響。光電子在磁場作用下將會產生運動軌跡的偏移，引起光電靈敏度下降，在磁場作用下將會產生運動軌跡的偏移，引起光電靈敏度下降，噪聲增加。一般在管外套一個磁屏蔽筒。噪聲增加。一般在管外套一個磁屏蔽筒。三、 光電倍增管的供電電路和信號輸出 光電倍增管的供電電路種類很多，可根據應用情況設計出各光電倍增管的供電電路種類很多，可根據應用情況

35、設計出各具特色的供電電路。這里介紹最常用的具特色的供電電路。這里介紹最常用的電阻鏈分壓式供電電路電阻鏈分壓式供電電路。 如圖所示為光電倍增管的典型電阻分壓式供電電路。電路由如圖所示為光電倍增管的典型電阻分壓式供電電路。電路由1111個電阻構成電阻鏈分壓器，分別向個電阻構成電阻鏈分壓器，分別向1010級倍增極提供電壓級倍增極提供電壓U Ubbbb。 1、電阻鏈的設計 考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應，各級的電子流按放大倍率分布，其中，陽極電流IA最大。因此，電阻鏈分壓器中流過每級電阻的電流并不相等，但是，當流過分壓電阻的電流IR遠遠大于IA時，即IR IA時，流過各分壓電阻Ri的電流近似相

36、等。工程上常設計IR大于等于10倍的IA電流。 IR10IA選擇的太大將使分壓電阻功率損耗加大，倍增管溫度升高導致性能的降低，以至于溫升太高而無法工作。 選定電流后，可以計算出電阻鏈分壓器的總阻值R 從而可以算出各分壓電阻Ri 。RbbIUR 5 . 1NRRi考慮到陰極到第一級倍增極之間的距離2.2.電源電壓和極間電壓電源電壓和極間電壓 極間供電電壓UDD直接影響著二次電子發(fā)射系數，或管子的增益G。因此，根據增益G的要求可以設計出極間供電電壓UDD。 0.7nDDn(0.2) UGmnDDn(0.025) UGm由可以計算出UDD。銻化銫倍增極 銀鎂合金倍增極 供電電壓的極性陽極接地負高壓供

37、電：陽極接地負高壓供電：陽極信號輸出方便，可以交直流輸出。但由于陰極處于負高壓，因屏蔽罩都是與機殼相連接地的，所以光、磁、電的屏蔽罩不能跟陰極靠的很近，至少間隔12cm，使倍增管尺寸變大，同時陽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：光、磁、電的屏蔽罩能跟陰極靠的很近，屏蔽效果好，可以得到較低的暗電流和噪聲。但陽極處于正高壓會導致寄生電容增大，匹配電纜連接復雜，陽極信號輸出必須通過耐高壓、噪聲小的隔直流電容器，因此只能輸出交流信號。GKPR1R2R3R4R5R7R6負高壓負高壓DC輸出電路輸出電路負高壓脈沖輸出電路負高壓脈沖輸出電路GKPR1R2R3R4R5R7R6

38、 對上兩式進行微分，并用增量形式表示，可得到光電倍增管的電流增益穩(wěn)定度與極間電壓穩(wěn)定度的關系 DDDD7 . 0UUnGG對銻化銫倍增極 對銀鎂合金倍增極 由于光電倍增管的輸出信號Uo=GSkvRL，因此，輸出信號的穩(wěn)定度與增益的穩(wěn)定度有關 DDDDUUnGGUU 當入射輻射信號為高速的瞬變信號或脈沖時，末3級倍增極電流變化會引起較大UDD的變化，引起光電倍增管增益的起伏，將破壞信息的變換。在末3極并聯(lián)3個電容C1、C2與C3，通過電容的充放電過程使末3級電壓穩(wěn)定。 電容C1、C2與C3的計算公式為 DDam1L70UnIC 式中N為倍增極數，Iam為陽極峰值電流，為脈沖的持續(xù)時間，UDD為極

39、間電壓，L為增益穩(wěn)定度的百分數。 12CC 213CC DDam1L100UnIC或銻化銫銀鎂合金5. 信號輸出 光電倍增管輸出為電流信號，而與其相連的后續(xù)電路，一般是基于電壓信號而設計的，因此，常用一個負載電阻Ra來完成電流-電壓的轉換。l負載電阻Ra的選?。和ǔ?，倍增管陽極輸出電流很小，而且可視作恒流源。因此，一般認為負載電阻可以任意大地選取。實際上，較大的負載電阻會導致頻率響應和輸出線性的惡化。若負載電阻為Ra，光電倍增管陽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，則輸出線路響應截止頻率fc： 上式可以看到，盡管光電倍增管和放大器有極快的響應時間，輸出線路響

40、應也將受到截止頻率fc的限制。ascRCf 21如果負載電阻Ra較高，在較高輸出電流情況下，負載電阻將導致陽極電位電壓降增大，造成陽極-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系）。 截止頻率fc的限制輸出線性The multi-anode position sensitive photomultiplier tube(PSPMT) 參考文獻：趙翠蘭等，多陽極位置靈敏光電倍增管位置讀出電路的設計實現，原子核物理評論, 2010年01期四. 光電倍增管的應用 光電倍增管不但具有極高的光電靈敏度、極快的響應速度、極低的暗電流低和噪聲，還能夠在很大范圍內調整內增益。因此，它在微

41、光探測、快速光子計數和微光時域分析等領域得到廣泛的應用。 （2 2）原子吸收分光光度計）原子吸收分光光度計 廣泛地應用于微量金屬元素的分析。對應于分析的各種元素，需要專用的元素燈，照射燃燒并霧化分離成原子狀態(tài)的被測物質上，用光電倍增管檢測光被吸收的強度，并與預先得到的標準樣品比較。 1、光譜學光譜學（1 1）紫外）紫外/ /可見可見/ /近紅外分光光度計近紅外分光光度計 - - 光吸收原理光吸收原理 光通過物質時使物質的電子狀態(tài)發(fā)生變化，而失去部分能量，稱為吸收。利用吸收進行定量分析:為確定樣品物質的量，采用連續(xù)的光譜對物質進行掃描，并利用光電倍增管檢測光通過被測物質前后的強度，即可得到被測物

42、質吸收程度，計算出物質的量。 （3 3）發(fā)光分光光度計）發(fā)光分光光度計利用發(fā)光原理 樣品接受外部照射光的能量會產生發(fā)光，利用單色器將這種光的特征光譜線顯示出來，用光電倍增管探測出特征光譜線是否存在及其強度。這種方法可以迅速地定性或定量地檢查出樣品中的元素。 （4 4）熒光分光光度計）熒光分光光度計 熒光分光光度計依據生物化學，特別是分子生物學原理。物質受到光照射，發(fā)射長波的發(fā)光，這種光稱為熒光。用光電倍增管檢測熒光的強度及光譜特性，可以定性或定量地分析樣品成份。 （5 5）拉曼分光光度計）拉曼分光光度計 用單色光照射物質后被散射，這種散射光中，只有物質特有量的不同波長光混合在里面。這種散亂光（

43、拉曼光）進行分光測定，對物質進行定性定量的分析。由于拉曼發(fā)光極其微弱，因此檢測工作需要復雜的光路系統(tǒng)，并且采用單光子計數法。 2.2.質量光譜學與固體表面分析質量光譜學與固體表面分析 固體表面分析 固體表面的成分和結構，可以用極細的電子、離子、光或X射線的束流，入射到物質表面，對表面發(fā)出的電子、離子、X射線等進行測定來分析。這種技術在半導體工業(yè)領域被用于半導體的檢查中，如缺陷、表面分析、吸附等。電子、離子、X射線一般采用電子倍增器或MCP來測定。 3.3.環(huán)境監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測 （1 1）塵埃粒子計數器）塵埃粒子計數器 塵埃粒子計數器檢測大氣或室內環(huán)境中懸浮的粉塵或粒子的密度。它利用了塵埃粒子對光的

44、散亂或射線的吸收原理。 （2 2）濁度計）濁度計 當液體中有懸浮粒子時，入射光會粒子被吸收、折射。對人的眼睛來看是模糊的，而濁度計正是利用了光的透過折射和散射原理，并用數據來表示的裝置。 4. 4. 生物技術生物技術 （1 1）細胞分類）細胞分類 細胞分類儀是利用熒光物質對細胞標定后，用激光照射，細胞的熒光、散亂光用光電倍增管進行觀察，對特定的細胞進行選別的裝置 。（2 2）熒光計）熒光計 細胞分類的最終目的是分離細胞，為此，有一種用于對細胞、化學物質進行解析的裝置，它稱為熒光計。它對細胞、染色體發(fā)出的熒光、散亂光的熒光光譜、量子效率、偏光、壽命等進行測定。 5.5.醫(yī)療應用醫(yī)療應用 （1）相

45、機相機 將放射性同位素標定試劑注入病人體內，通過相機可以得到斷層圖象，來判別病灶。從閃爍掃描器開始，經逐步改良，相機的性能得到快速的發(fā)展。光電倍增管通過光導和大面積NaI（Tl）組合成探測器。 （2）正電子）正電子CT 放射線同位素（C11、O15、N18、F18等）標識的試劑投入病人體內，發(fā)射出的正電子同體內結合時，放出淬滅線，用光電倍增管進行計數，用計算機作成體內正電子同位素分布的斷層畫面，這種裝置稱為正電子CT。 （3 3）液體閃爍計數）液體閃爍計數 液體閃爍計數應用于年代分析和生物化學等領域。將含有放射性同位素物質溶于有機閃爍體內，并置于兩個光電倍增管之間，兩個光電倍增管同時檢測有機閃爍體的發(fā)光。 （4 4）臨床檢查）臨床檢查 通過對血液、尿液中微量的胰島素、激素、殘留藥物及病毒等對于抗原、抗體的作用特性，進行臨床身體檢查、診斷治療效