光電探測技術(shù)第四章

光電探測技術(shù)第四章第一頁，共九十七頁，2022年，8月28日真空光電器件

真空光電發(fā)射器件是基于外光電效應(yīng)的光電探測器，包括光電管和光電倍增管兩類。具有極高的靈敏度、快速響應(yīng)等特點，它在探測微弱光信號及快速脈沖弱光信號等方面仍然是一個重要的探測器件。因此廣泛應(yīng)用于航天、材料、生物、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域都有相當(dāng)大的應(yīng)用。

第二頁，共九十七頁，2022年，8月28日真空光電器件結(jié)構(gòu)及常見類型結(jié)構(gòu)：均包括光電陰極、陽極、真空玻璃殼

分類：

成像型非成像型常見器件：真空光電管光電管

充氣光電管光電倍增管第三頁，共九十七頁，2022年，8月28日在光電管、光電倍增管、變象管、象增加器和一些攝像管等光電器件中，使不同波長的各種輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號，均依靠光電陰極。因而光電陰極關(guān)系到光電器件的各項光電性能。光電發(fā)射陰極是光電發(fā)射器件的重要部件，它是吸收光子能量發(fā)射光電子的部件。它的性能直接影響著整個光電發(fā)射器件的性能，為此，首先討論用于制造光電陰極的典型光電發(fā)射材料。4.1光電陰極第四頁，共九十七頁，2022年，8月28日一、光電陰極的主要參數(shù)1.靈敏度(1)光照靈敏度表示光電陰極在一定的白光照射下，陰極光電流與入射的光通量之比。光照靈敏度也稱為白光靈敏度或積分靈敏度，單位為uA/lm。(2)色光靈敏度就是局部光譜區(qū)域的積分靈敏度。它表示在某些特定的波長區(qū)，通常用特性已知的濾光片插入光路，然后測得的光電流與未插入濾光片時陰極所受光照的光通量之比。第五頁，共九十七頁，2022年，8月28日式中λ單位為nm；S(λ)為光譜靈敏度，單位為A/W。量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法。它們之間的關(guān)系：(3)光譜靈敏度表示一定波長的單色輻射照到光電陰極上，陰極光電流與入射的單色輻射通量之比，單位為mA/W或A/W。2.量子效率第六頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.光譜響應(yīng)曲線光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關(guān)系曲線，稱為光譜響應(yīng)曲線。真空光電組件中的長波靈敏度極限，主要由光電陰極材料的截止波長決定。4.熱電子發(fā)射光電陰極中有少數(shù)電子的熱能大于光電陰極逸出功，因而產(chǎn)生熱電子發(fā)射。室溫下典型陰極每秒每平方厘米發(fā)射二個數(shù)量級的電子，相當(dāng)于10-16～10-17Acm-2的電流密度。這些熱發(fā)射電子會引起噪聲，限制著傳感器的靈敏度極限。第七頁，共九十七頁，2022年，8月28日二、銀氧銫（Ag-O-Cs）光電陰極銀氧銫陰極是最早出現(xiàn)的實用光電陰極。目前，除了Ⅲ-Ⅴ族的光電陰極外，它仍然是在近紅外區(qū)具有使用價值的唯一陰極。銀氧銫陰極是以Ag為基底，氧化銀為中間層，上面再有一層帶有過剩Cs原子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子組成，可用[Ag]-Cs2OAgCs-Cs的符號表示，如圖a所示。Ag-O-Cs光電陰極的光譜響應(yīng)曲線如圖b所示。它的長波靈敏度延伸至紅外1.2um，并且有兩個峰值，近紅外800nm處有一主峰，另一主峰處于紫外350nm。第八頁，共九十七頁，2022年，8月28日Ag-O-Cs光電陰極的靈敏度較低。光照靈敏度約為30uA/lm，輻照靈敏度為3mA/W，量子效率在峰值波長處也只有1%，它的熱電子發(fā)射密度在室溫下超過任何其它實用陰極，約為10-11~10-14A/cm2。此外，當(dāng)陰極長期受光照后，會產(chǎn)生嚴重的疲勞現(xiàn)象，且疲勞特性與光照度。光照波長等都有密切關(guān)系，疲勞后光譜響應(yīng)曲線也會發(fā)生變化，因此它的應(yīng)用受到很大限制。將近紅外區(qū)具有高靈敏度的Ag-O-Cs陰極和藍光區(qū)具有高靈敏度的Bi-Cs-O陰極相結(jié)合，可獲得在整個可見光譜范圍內(nèi)具有較均勻響應(yīng)和高靈敏度的

Bi-Ag-O-Cs光電陰極。該陰極的量子效率達10%，但長波限只有750nm。第九頁，共九十七頁，2022年，8月28日三、單堿銻化物光電陰極金屬銻與堿金屬鋰、納、鉀、銣、銫中的一種化合，都能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射體。其中，以CsSb陰極的靈敏度最高，是最具有使用價值的光電發(fā)射材料，廣泛用于紫外和可見光區(qū)的光電探測器中。銻銫陰極的典型光譜響應(yīng)曲線第十頁，共九十七頁，2022年，8月28日四、多堿銻化物光電陰極當(dāng)銻和幾種堿金屬形成化合物時，具有更高的響應(yīng)率，其中有雙堿、三堿和四堿等，統(tǒng)稱為多堿銻化物光電陰極。銻納鉀陰極是雙堿陰極中的一種，它的光譜響應(yīng)與銻銫陰極相近，在峰值波長0.4um處的量子效率達25%，其典型光照靈敏度可到50uA/lm。它的特點是耐高溫，工作溫度可達到175℃，而一般含銫陰極的工作溫度不能超過60℃，因此銻鉀鈉陰極可用于石油探測等特殊場合。銻鉀鈉銫陰極是三堿陰極中最有實用價值的一種，它從紫外到近紅外的光譜區(qū)都具有較高的量子效率。第十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日一般來說，對可見光靈敏度的光電陰極，對紫外光也都具有較高的量子效率。但在某些應(yīng)用中，為了消除背景噪聲的影響，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(yīng)，這樣陰極通常稱為“日盲”型光電陰極。五、紫外光電陰極常用的有銻化銫和碘化銫兩種。第十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日六、負電子親和勢光電陰極現(xiàn)以Si-CsO光電陰極為例加以說明，它是在p型Si的基質(zhì)材料上涂一層極薄的金屬Cs，經(jīng)特殊處理而形成n型Cs2O。表面為n型的材料有豐富的自由電子，基底為p型材料有豐富的空穴，它們相互擴散形成表面電荷局部耗盡。與p-n結(jié)情況類似，耗盡區(qū)的電位下降E，造成能帶彎曲，如圖b所示。第十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日圖a分別表示p型Si和n型Cs2O兩種材料的能帶圖。本來p型Si的發(fā)射臨界值是，電子受光激發(fā)進入導(dǎo)電帶后需克服親和勢才能逸出出表面?，F(xiàn)在由于表面存在n型薄層，使耗盡區(qū)的電位下降，表面電位降低Ed。光電子在表面附近受到耗盡區(qū)內(nèi)建電場的作用，從Si的導(dǎo)電帶底部漂移到表面Cs2O的導(dǎo)帶底部。此時，電子只需克服EA2就能逸出出表面。對于p型Si的光電子需克服的有效親和勢為第十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日(1)量子效率高(2)光譜響應(yīng)延伸到紅外、光譜響應(yīng)率均勻正電子親和勢光電陰極的臨界值波長為而負電子親和勢光電陰極的臨界值波長為(3)熱電子發(fā)射小(4)光電子的能量集中實用的負電子親和勢光電陰極有GaAs、InGaAs、GaAsP等，其光譜響應(yīng)曲線如圖所示。第十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日4.2光電管與光電倍增管的工作原理一、光電管光電管主要由光電陰極和陽極兩部分組成，因管內(nèi)有抽成真空或充入低氣壓惰性氣體的不同，所以有真空型和充氣型兩種。它的工作電路如圖所示，陰極和陽極之間加有一定的電壓，且陽極接正，陰極接負。第十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日真空型光電管的工作原理當(dāng)入射光透過真空型光電管的入射窗照射到光電陰極面上時，光電子就從陰極發(fā)射出去，在陰極和陽極之間形成的電場作用下，光電子在極間作加速運動，被高電位的陽極收集，其光電流的大小主要由陰極靈敏度和入射輻射的強度決定。充氣型光電管的工作原理光照生電子在電場的作用下運動，途中與惰性氣體原子碰撞而電離，電離又產(chǎn)生新的電子，它與光電子一起都被陽極收集，形成數(shù)倍于真空型光電管的光電流。由于光電倍增管工藝的成熟及半導(dǎo)體光電器件的發(fā)展，光電管已基本上被上述這些器件所替代。第十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日二、光電倍增管光電倍增管是一種真空光電組件，它主要由光入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽極組成，如圖a所示。光電倍增管的工作原理如圖b所示。第十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日光電倍增管第十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日1.入射窗口和光電陰極結(jié)構(gòu)光電倍增管通常有側(cè)窗和端窗兩種形式。側(cè)窗型光電倍增管是透過管殼的側(cè)面接收入射光，而端窗式光電倍增管是透過管殼的端面接收入射光。第二十頁，共九十七頁，2022年，8月28日側(cè)窗式光電倍增管一般使用反射式光電陰極，而且大多數(shù)采用鼠籠式倍增極結(jié)構(gòu)，如圖a所示。端窗式光電倍增管通常使用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面。如圖b所示。第二十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日常用的窗口材料有下列幾種：(1)硼硅玻璃，應(yīng)用廣泛，透射光譜范圍從300nm到紅外，不適合作紫外輻射窗口材料。(2)透紫外玻璃，透紫外性能很好，紫外波段的截止波長約185nm，應(yīng)用普遍。(3)熔融石英（熔融二氧化硅），透紫外波長可達到160nm。(4)藍寶石(5)MgF2常用幾種窗口材料的光譜透射比曲線。第二十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日實用光電倍增管的陰極光譜響應(yīng)特性如圖4-11和表4-1所示。第二十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日第二十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日第二十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日2.電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)主要有兩方面的作用，使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會聚到第一倍增極上，而將其它部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比，一般用電子收集率表示；二是使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越的時間盡可能相等，以保證光電倍增管的快速響應(yīng)，這一參數(shù)常用渡越時間的離散型△t表示。 下面介紹幾種典型的結(jié)構(gòu)和性能。圖a是最簡單的電子光學(xué)系統(tǒng)。圖a中：1是光電陰極；2是與光電陰極同電位的金屬筒或鍍在玻璃殼上的金屬導(dǎo)電層；3是帶孔膜片；4是第一倍增極。第二十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日在圖(b)系統(tǒng)中約為10ns，為了使小型光電倍增管的倍增極合理安排在管殼內(nèi)（具有對稱性），充分利用玻璃管內(nèi)的空間，同時保證有高的電子收集率，可采用圖4-12?所示電子光學(xué)系統(tǒng)。圖中增加了斜劈式圓柱筒電極4，該電極固定在偏心的帶孔膜片上，其軸線與陰極的軸線之間的夾角常取20°。這種結(jié)構(gòu)的性能與前者相近。第二十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日圖c所示的是性能最好的一種結(jié)構(gòu)，它采用了球面形光電陰極，并附加了3個圓筒形電極。此時，陰極表面電位分布比較均勻，而且從陰極中心和邊緣發(fā)射的電子的軌跡長度相差甚小，可使穿越時間的離散性接近于零。第二十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.電子倍增極 (1)二次電子發(fā)射具有足夠動能的電子轟擊某些材料時，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。轟擊材料的入射電子稱為一次電子，從材料表面發(fā)射出的電子稱為二次電子。不同材料的二次電子發(fā)射能力是不一樣的。為表征材料的這種能力，通常把二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射的一次電子數(shù)N1的比值定義為該材料的二次發(fā)射系數(shù)σ二次發(fā)射過程可以分三步來描述：材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài)，這些被激電子稱為內(nèi)二次電子；內(nèi)二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運動，在運動過程中因散射而損失能量；如果達到界面的內(nèi)二次電子仍有足以克服表面勢壘的能量，即逸出表面成為二次電子。第二十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日材料的二次發(fā)射系數(shù)σ隨一次電子的能量Ep不同而改變，圖4-13表示σ與Ep的一般關(guān)系。其原因是：當(dāng)一次電子能量過大，電子穿透材料的有效深度增加；盡管激發(fā)的內(nèi)二次電子數(shù)有所增加，但許多深層的內(nèi)二次電子在逸出過程中，由于碰撞散射而損失能量，結(jié)果不能逸出，反而使σ減小。不同的發(fā)射材料，當(dāng)二次發(fā)射系數(shù)達最大值σmax時，相應(yīng)的一次電子能量Epmax變化很大，約100～2000電子伏。第三十頁，共九十七頁，2022年，8月28日圖4-14是幾種倍增極材料的二次電子發(fā)射特性曲線。光電倍增管中的二次電子發(fā)射材料應(yīng)具有：在低的工作電壓下具有大的σ值；熱電子發(fā)射?。辉谳^高溫度和較大的一次電子密度條件下，發(fā)射系數(shù)保持穩(wěn)定。常用的倍增極材料有：(1)復(fù)雜的半導(dǎo)體型(2)合金型(3)負電子親和勢型第三十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日(2)倍增極結(jié)構(gòu)光電倍增管中的倍增極一般由幾級到十五級組成。根據(jù)電子軌跡的型式可分為兩大類，即聚焦型和非聚焦型。凡是由前一倍增極來的電子被加速和會聚在下一倍增極上，在兩個倍增極之間可能發(fā)生電子束交叉的結(jié)構(gòu)稱為聚焦型。非聚焦型形成的電場只能是電子加速，電子的軌跡都是平行的。根據(jù)電子倍增極的結(jié)構(gòu)形式，目前光電倍增管分成六種形式，如圖所示。(1)鼠籠式(2)直線聚焦式(3)盒柵式(4)百葉窗式(5)近貼柵網(wǎng)式(6)微通道板式第三十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日4.陽極陽極結(jié)構(gòu)比倍增極系統(tǒng)簡單得多，它的作用是接收從末級倍增極發(fā)射出的二次電子，通過引線向外輸出電流。對于陽極的結(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，并且在陽極附近的空間不致產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。此外，陽極的輸出電容要小，即陽極與末級倍增極及與其它倍增極間的電容要很小，因此目前陽極廣泛采用柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。第三十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日4.3光電倍增管的主要特性參數(shù)一、靈敏度1.光譜響應(yīng)陰極的光譜靈敏度取決于光電陰極和窗口的材料性質(zhì)。陽極的光譜靈敏度等子陰極的光譜靈敏度與光電倍增管放大系數(shù)的乘積，而其光譜響應(yīng)曲線基本上與陰極的相同。一般手冊上給出光電倍增管的光譜響應(yīng)的波長范圍、峰值波長以及光譜響應(yīng)曲線代碼。第三十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日實際使用中還應(yīng)注意環(huán)境溫度對光電倍增管光譜響應(yīng)的影響。圖a和b分別表示銻銫光電陰極和多堿光電陰極的光電倍增管光譜響應(yīng)曲線與溫度的關(guān)系。第三十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日2.陰極光照靈敏度由4.1節(jié)中的定義可知，若入射到光電陰極面上的光通量為，陰極輸出的光電流為，那么陰極的光照靈敏度為光電倍增管陰極光照靈敏度的測量原理如圖所示。第三十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日設(shè)光源的發(fā)光強度為，光電陰極面的面積為A，陰極面離光源的距離為L。光電倍增管接收到的光通量可算出陰極光照靈敏度第三十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.陽極光照靈敏度陽極光照靈敏度表示光電倍增管在接收分布溫度為2856K的光輻射時陽極輸出電流與入射光通量的比值，即光電倍增管的陽極光照靈敏度通常采用圖所示的系統(tǒng)測試。入射光通量范圍通常為10-10～10-6lm。入射的光通量太大會導(dǎo)致非線性，并使輸出電流超過額定值；若太小，由于暗電流的作用使光電倍增管的輸出光電流的測量比較困難。第三十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日二、放大倍數(shù)（增益）前面已談到，光電倍增管倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)σ與一次電子的加速電壓Vd有關(guān)。當(dāng)電壓在幾十～幾百伏范圍時如果光電倍增管有n級倍增極，那么光電陰極發(fā)射的光電流經(jīng)過各級倍增極倍增后，從陽極輸出的電流同時，假定陽極電子收集率為1，如果各倍增極的ε和σ均相等，那么光電倍增管的放大倍數(shù)第三十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日假定倍增管均勻分壓，級間電壓Vd相等，那么放大倍數(shù)與光電倍增管所加電壓V的關(guān)系為從上式可知，光電倍增管的放大倍數(shù)和陽極輸出電流隨所加電壓的kn次方指數(shù)變化。因此，在使用光電倍增管時，為了使輸出電流穩(wěn)定，所加電壓應(yīng)保持穩(wěn)定。一般情況下，n=9～12，因此得出電壓的穩(wěn)定度應(yīng)比測量精度高一個數(shù)量級的結(jié)論。例如測量精度為1%，所加電源電壓的穩(wěn)定度應(yīng)為0.1%。第四十頁，共九十七頁，2022年，8月28日三、暗電流光電倍增管的暗電流是指在施加規(guī)定的電壓后，在無光照情況下測定的陽極電流。暗電流決定光電倍增管的極限靈敏度。1.暗電流的組成(1)熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射是光電倍增管暗電流的主要部分，根據(jù)W.Richardson的研究表面，熱發(fā)射電流is與溫度T和逸出能Ew的關(guān)系：(4.14)第四十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日由于光電陰極和第一倍增極發(fā)射的熱電子經(jīng)后面各倍增極放大后數(shù)值較大，因而在熱發(fā)射電流中起主要作用。圖4-19表示幾種陰極材料的光電倍增管陽極暗電流的溫度特性。Ag-O-Cs光電陰極的熱電子發(fā)射電流較大，常溫下比多堿光電陰極要大兩個數(shù)量級。紫外光電陰極（Cs-Te、Cs-I）的熱電子發(fā)射是最小的。降低熱發(fā)射電流的有效方法是降低光電倍增管的工作溫度。從圖可見，當(dāng)將光電倍增管冷卻到20℃時能有效地減少熱發(fā)射電流。第四十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日(2)極間漏電流—是指光電倍增管內(nèi)支撐電極的絕緣體（如陶瓷片、玻璃件和芯柱等）在高電壓下的歐姆漏電。此外，當(dāng)管座和玻殼表面被沾污和受潮時也會引起漏電。(3)殘余氣體的離子發(fā)射(4)玻璃閃爍(5)場致發(fā)射從上述暗電流產(chǎn)生的原因可見，它與電源電壓有密切關(guān)系，如圖所示。在低電壓時，暗電流由漏電流決定；電壓較高時，主要是熱電子發(fā)射；電壓再大，則導(dǎo)致場效發(fā)射和殘余氣體離子發(fā)射，使暗電流急遽增加，甚至可能發(fā)生自持放電。實際使用中，為了得到比較高的信噪比S/N，所加的電源電壓必須適當(dāng)，一般工作在圖的b段。第四十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日2.減少暗電流方法(1)直流補償暗電流的直流補償方法如圖4-21所示，在光電倍增管輸出陽極回路中加上與暗電流方向相反的直流成分，以補償暗電流的影響。圖中，補償電流(4.15)一般。這種補償方法比較簡單，但不是根本的解決辦法，它只能補償暗電流中的直流部分。第四十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日(2)選頻和鎖相放大將入射光調(diào)制成一定頻率的周期信號，而在光電倍增管的信號輸出電路中加一選頻放大器，以濾掉暗電流的直流分量。但由于選頻放大器的中心頻率不易做得很穩(wěn)定，并有一定的通頻帶，因此抑制暗電流的交流成分有一定的限度。如果用鎖相環(huán)放大代替選頻放大，那么輸出信號的信噪比會有很大的提高(3)致冷通常光電倍增管的工作電壓為600～1300V，由圖可知，熱電子發(fā)射是暗電流的主要成分。冷卻光電倍增管可降低從光電陰極和倍增極來的熱電子，這對于弱信號探測或電子計數(shù)是十分重要的。(4)電磁屏蔽法(5)磁場散焦法第四十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日四、噪聲光電倍增管的噪聲主要有光電組件本身的散粒噪聲、閃爍噪聲以及負載電阻的熱噪聲等。1.散粒噪聲光電陰極發(fā)射的平均電流IKO由信號電流IKS和暗電流IKd組成，即(4.16)如前所述，IKS=Φ．SK，而IKd由熱電子發(fā)射、漏電流、離子發(fā)射、玻璃閃爍和場效發(fā)射等因素造成的。由陰極電流產(chǎn)生的散粒噪聲(4.17)于是，作為第一倍增極的一次電流將等于信號電流和噪聲電流之和，即(4.18)第四十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日假定通過每一倍增極的倍增系均為σ，那么經(jīng)過第一倍增極的放大，陰極發(fā)射的平均電流放大到σIKO，而噪聲將由二部分組成，一部分是由σIKO產(chǎn)生的新噪聲源，另一部分是原有噪聲的放大，于是第一倍增極后電流中的噪聲依此類推可求出陽極電流為IKOσn，而陽極電流噪聲為2.閃爍噪聲3.電阻熱噪聲這類噪聲主要來自負載電阻或運算放大器的回饋電阻和運算放大器輸入阻抗。于是熱噪聲電流第四十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日總噪聲的平方等于散粒噪聲、閃爍噪聲及電阻熱噪聲的平方之和，假定略去第二種噪聲，于是可得到倍增管輸出信號的信噪比。如果選用的倍增管放大系數(shù)很大，則實際計算結(jié)果顯示，散粒噪聲將明顯大于熱噪聲，由于IKo=Φ．SK，因此根據(jù)S/N=1可求出光電倍增管的噪聲等效功率第四十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日也可以用陽極信號電流IpO、陽極暗電流Ipd和陽極響應(yīng)度Sp來表示：(4.24)由上式可知，要得到小的NEP值，可以采用冷卻或磁散焦技術(shù)減小暗電流，也可選用σ值高的光電倍增管以及減小通頻帶Δf來達到。亦可以利用D和D*的相應(yīng)公式，求出光電倍增管的探測率。第四十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日五、I-V特性1.陰極I-V特性當(dāng)入射光通量一定時，陰極光電流與陰極和第一倍增極之間電壓（簡稱為陰極電壓VK）的關(guān)系稱為陰極I-V特性，圖4-22為不同光通量下測得的陰極I-V特性。從圖中可見，當(dāng)陰極電壓大于一定值（幾十伏）后，陰極電流開始趨向飽和，與入射光通量成線性變化。第五十頁，共九十七頁，2022年，8月28日2.陽極I-V特性當(dāng)入射光通量一定時，陽極電流與最后一級倍增極和陽極之間電壓（簡稱陽極電壓Vp）的關(guān)系稱為陽極I-V特性，圖為不同光通量下測得的陽極I-V特性。圖中，當(dāng)陽極電壓大于一定值后陽極電流趨向飽和，與入射到陰極面上的光通量成線性變化。通常把光電倍增管的輸出特性看作恒流源來處理，這在實際使用中是很重要的。第五十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日六、線性線性不僅與光電倍增管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，很大程度上還取決于外部的高壓供電電路和信號輸出電路。造成非線性的原因分為兩類內(nèi)因—空間電荷、光電陰極的電阻率、聚焦或收集效率的變化外因—由于信號電流造成負載電阻的負反饋和電壓的再分配空間電荷主要發(fā)生在光電倍增管的陽極和最后幾級倍增極之間。當(dāng)陽極光電流大，尤其陽極電壓太低或最后幾級倍增極的極間電壓不足時，容易出現(xiàn)空間電荷。有時，當(dāng)陰極和第一倍增極之間的距離過大或電場過弱，在端窗式的光電倍增管的第一級也容易出現(xiàn)空間電荷。為了防止空間電荷引起產(chǎn)生的非線性，應(yīng)使這些極間電壓保持較高，而管內(nèi)的電流密度盡可能小一些。陰極電阻也會引起非線性，特別是大面積的端窗式光電倍增管的陰極只有一小部分被光照射時，非照射部分會像串聯(lián)電阻那樣其作用，在陰極引起電位差，于是降低了被照射區(qū)域和第一倍增極間的電壓。第五十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日表4-2列出了各種結(jié)構(gòu)的光電倍增管的最大陽極線性輸出電流。第五十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日七、穩(wěn)定性光電倍增管的穩(wěn)定性主要是指陽極電流隨工作時間的變化，它在閃爍計數(shù)和光度測量中是十分重要的。光電倍增管的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在兩方面：(1)在長期工作過程中，靈敏度的慢漂移如圖所示，慢漂移主要是由于最后幾級倍增極在大量電子轟擊下受損，引起二次發(fā)射系數(shù)變化。這種漂移主要取決陽極電流的大小，而與所加的高壓關(guān)系不太大，因此，在穩(wěn)定性要求比較高的場合，陽極光電流應(yīng)控制在1μA以下。第五十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日(2)滯后效應(yīng)在光電倍增管加上高壓或開始光照的短時間（幾秒或幾十秒）內(nèi)，陽極輸出電流存在短暫的不穩(wěn)定，如圖所示。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象稱為滯后效應(yīng)，它在分光光度測量等方面比較重要。先使光電倍增管在正常條件下工作5分鐘，然后停止光照1分鐘，再重新開啟光照，測量光電倍增管在受照1分鐘內(nèi)輸出電流的變化，則滯后系數(shù)。第五十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日八、時間響應(yīng)某些脈沖信號測量中，往往要求陽極輸出信號波形與入射光脈沖波形完全一致。為了表示這種脈沖信號波形的重現(xiàn)性，通常用陽極輸出脈沖的上升時間和電子的渡越時間等參數(shù)表示。1.上升時間光電倍增管的陽極輸出脈沖上升時間定義為整個光電陰極在δ函數(shù)的光脈沖照射下，陽極電流從脈沖峰值的10%上升到90%所需的時間，該δ函數(shù)的光脈沖半寬度一般小于50ps，如圖所示。第五十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日光電倍增管的上升時間的測試原理如圖所示，用一重復(fù)的δ光脈沖照射光電陰極，陽極的輸出信號作為示波器（通頻帶大于100MHz）的觸發(fā)信號。第五十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日2.穿越時間一個δ函數(shù)的光脈沖（脈沖寬度小于1ns）到達光電陰極和陽極輸出脈沖電流達到最大值的時間間隔定義為光電子的穿越時間ttr，如圖所示。第五十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日穿越時間的測試原理如圖所示。適當(dāng)選擇延遲電纜的長度，可將標記脈沖和輸出脈沖都顯示在示波器的顯示屏上。第五十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.渡越時間離散渡越時間離散表示δ函數(shù)光脈沖照到光電陰極的不同區(qū)域，發(fā)射的電子到達陽極的渡越時間的不一致性。圖表示R268和R931A光電倍增管的時間響應(yīng)隨所加電壓變化的典型特性曲線。第六十頁，共九十七頁，2022年，8月28日九、磁場特性圖是直徑為51mm的百葉窗式光電倍增管的典型特性曲線。從圖中可見，即使在地球磁場作用下，管子旋轉(zhuǎn)或換一個方向工作，輸出信號都會產(chǎn)生明顯的變化。第六十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日為了減少外部磁場對光電倍增管的工作的影響，一般在管子外面加一個磁屏蔽管。若有幾個半徑不同的屏蔽筒套在一起使用，那么組合的磁屏蔽度是各個屏蔽筒磁屏蔽度的乘積。實際使用中還應(yīng)注意，屏蔽筒（內(nèi)徑為2R）邊緣的磁屏蔽作用明顯減弱，如圖所示，屏蔽管的長度至少要比光電倍增管的長度長2R。第六十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日十、空間均勻性圖表示在某一端窗式光電倍增管的光電陰極上分別用波長為400nm和800nm，直徑為1mm的光點在X和Y兩個方向上掃描，測出的陽極輸出電流與光點位置的函數(shù)關(guān)系，即光譜靈敏度與光電陰極位置的關(guān)系。第六十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日由于光電陰極和第一倍增極的幾何形狀的原因，一般側(cè)窗式結(jié)構(gòu)比端窗式結(jié)構(gòu)的光電倍增管的空間均勻性更差一些，如圖所示。第六十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日十一、偏振效應(yīng)如果用恒定光照的線偏振光以某一角入射到光電陰極面上，當(dāng)不斷改變偏振面時，陽極輸出電流也會發(fā)生相應(yīng)的變化。側(cè)窗式光電倍增管（如1P28、R456等）通常是這種情況，這種結(jié)構(gòu)中陰極面與管子的半徑方向是不垂直的。圖是用不同波長的線偏振光測量時得到的特性曲線第六十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日4.4光電倍增管的供電和信號輸出電路一、高壓供電為了使光電倍增管能正常工作，通常需在陰極（K）和陽極（P）之間加上近千伏的高壓。同時，還需在陰極、聚焦極、倍增極和陽極之間分配一定的極間電壓，保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增極系統(tǒng)得到放大。最常用的分壓器是采用一組電阻，跨接在陰極與陽極之間，如圖a所示。第六十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日在陰極與第一倍增極之間，以及陽極與末級倍增極之間有時采用齊納二極管代替電阻，以保證上述極間電壓恒定流過分壓電路中的電流Ib與光電倍增管輸出信號的線性密切相關(guān)。如圖b中，當(dāng)流過齊納二極管（DZ1、DZ2、DZ3）的電流未達到額定工作狀態(tài)時，齊納二極管可能產(chǎn)生比較大的噪聲，影響光電倍增管輸出的信噪比。為此，在齊納二極管旁并聯(lián)電容C1、C2和C3來降低齊納二極管產(chǎn)生的噪聲。第六十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日1.供電電壓的極性一般的分壓電路中采用陽極接地，負高壓供電，如圖所示。第六十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日另外也可以用泡沫橡膠或其它類似的材料將光電倍增管與管罩隔開，當(dāng)然這些材料應(yīng)有良好的絕緣性能。如果在玻璃殼外涂上黑色的導(dǎo)電層（稱HA膜），并將它與陰極連接，這樣就可以解決陰極漏電流問題。但在閃爍計數(shù)器中，由于與光電倍增管緊密接觸的閃爍體是接地的，這種方法不能使用。在這種情況下，必須采用陰極接地的方法，如圖所示。第六十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日2.線性供電方式無論是陽極接地還是陰極接地方式，當(dāng)照到光電陰極上的光通量增加時，陽極輸出電流Ip也相應(yīng)增加，如圖所示。當(dāng)信號進一步增大并超過某一定值后，陽極輸出電流與光通量之間就偏離了理想的線性關(guān)系，光電倍增管進入飽和工作方式。第七十頁，共九十七頁，2022年，8月28日(1)直流信號輸出信號是直流的情況下，采用如圖a所示的分壓電路。第七十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日由于光電流的影響，使得各極間電壓重新分配，陽極和后幾級倍增極的極間電壓下降，陰極和前面幾級倍增極的極間電壓上升，結(jié)果光電倍增管的電流放大倍數(shù)明顯增加，如圖中曲線B段出現(xiàn)的現(xiàn)象。當(dāng)入射的光通量進一步增加時，陽極電流接近于分壓器上的電流，陽極與最末級倍增極之間的電壓趨向零，陽極的電子收集率逐漸減小，最后陽極輸出電流飽和，如圖中曲線C段。第七十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日除了與光電倍增管的結(jié)構(gòu)和分壓電路形式有關(guān)，光電倍增管的陽極電流還受分壓器上的電流限制。實際工作中，陽極電流應(yīng)比分壓器上的電流小20倍以上。在精密的光輻射測量中，為了保證測量信號的非線性小于1%，一般要求分壓器上的電流是陽極最大光電流的100倍以上。要獲得較大的陽極輸出電流，可以降低分壓器上的電阻值，或者在陽極與末級倍增極之間采用齊納二極管。當(dāng)然，如果前面幾級也采用齊納二極管，效果會更好。但是，減少電阻值可能會使電阻發(fā)熱，引起光電倍增管溫升而使暗電流增加，因此必須考慮電阻的功率散熱問題。第七十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日(2)脈沖信號當(dāng)光電倍增管在大的脈沖電流下工作，在分壓器的后面幾級電阻上并聯(lián)頻率特性比較好的瓷片電容，這樣在脈沖信號持續(xù)過程中，因電容的放電作用，使極間電壓保持穩(wěn)定，同時可以獲得較高的峰值電流，如圖所示。并聯(lián)電容的數(shù)值，取決于輸出脈沖信號的電荷量。如果要求線性優(yōu)于1%，那么并聯(lián)在最末級倍增極與陽極之間的電容取值可按下式計算第七十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日如果脈沖信號進一步增加，這些電容也就不能起有效的作用，由于陽極附近的空間電荷效應(yīng)，陽極輸出電流趨于飽和。在這種情況下，往往改變極間分壓電阻值，使得從中間倍增極至最后的倍增極和陽極各極之間的電阻值逐漸增加，如圖b所示。第七十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.高壓電源光電倍增管對高壓供電電源的穩(wěn)定性要求比較高。一般高壓電源電壓的穩(wěn)定性應(yīng)比光電倍增管所要求的穩(wěn)定性約高10倍。在精密的光輻射測量中，通常要求電源電壓的穩(wěn)定性達到0.01%～0.05%。目前，一種體積小巧的高壓電源模塊比較適合用于光電倍增管中，如圖a所示。第七十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日輸入直流電壓一般為+15伏，輸出端可獲得上千伏的負高壓，電壓穩(wěn)定度為0.02%～0.05%。通過調(diào)節(jié)控制端兩端的電阻或電壓值，輸出的電壓可以從200伏至1200伏之間變化，如圖b

所示。第七十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日表4-3是幾種高壓電源模塊的特性參數(shù)。一般的電源模塊內(nèi)部都有保護電路，當(dāng)電源過載或短路，模塊的輸入電流就趨于某一數(shù)值，而輸出電壓就降到零，能有效地保護十多分鐘。第七十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日二、信號輸出1.負載電阻輸出光電倍增管輸出的是電流信號，如圖所示。用一只負載電阻將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸出信號再連接到其它電壓放大器或電壓表上。一般光電倍增管可以看作是恒流源。設(shè)負載電阻為RL，倍增管的輸出電容（包括連線等雜散電容）為CS，那么光電倍增管的上限截止頻率第七十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日從上面的分析可得出選擇負載電阻的三點建議在頻響要求比較高的場合，負載電阻應(yīng)盡可能小一些。當(dāng)輸出信號的線性要求較高時，選擇的負載電阻應(yīng)使信號電流在它上面產(chǎn)生的壓降在幾伏一下。負載電阻應(yīng)比放大器的輸入阻抗小得多。第八十頁，共九十七頁，2022年，8月28日三、運算放大器輸出從前面的負載電阻的分析中可看出，要保證光電倍增管具有良好的線性和頻率響應(yīng)特性，負載電阻要小，這又使得輸出信號的轉(zhuǎn)換效率很低。如果用運算放大器來代替負載電阻，實現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換，就能解決上述問題。圖所示，是運算放大器輸出的基本電路，輸出的電壓第八十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日式中，A為運算放大器的開環(huán)增益，一般高達105～108。輸出電路的最小可測量電流往往受到放大器的偏置電流、溫度漂移、反饋電阻Rf的質(zhì)量、電路板的絕緣性能等因素的制約。普通運算放大器往往有幾十納安的偏置電流，因此流過反饋電阻的電流由光電流IP和放大器的偏置電流IOS組成。于是，輸出電壓信號因此在微弱的光輻射信號測量中，一般在放大器的反向輸入端加入一定的補償電流。補償電流與放大器的偏置電流的方向相反，互相抵消。第八十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日4.5微通道板光電倍增管微通道板（MCP）是由成千上萬根直徑為15～40μm、長度為0.6～1.6mm的微通道組成。每個微通道是一根根很細的玻璃管，如圖所示，它的內(nèi)壁鍍有高阻的二次發(fā)射材料，在它的兩端施加電壓后內(nèi)壁出現(xiàn)電位梯度，在真空中的一次電子轟擊微信道的一端，發(fā)射出的二次電子因電場作用而轟擊另一處，再發(fā)射二次電子，這樣通過多次發(fā)射二次電子，可獲得約104的增益。第八十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日帶有兩個串聯(lián)的MCP光電倍增管的基本電路如圖4-43所示，在這一近聚焦式的MCP倍增管中，光電陰極和第一微信道板的間距約0.3mm，級間電壓150V，第二微通道板和陽極的間距為1.5mm，級間電壓300V，外加偏壓的變化只改變微信道板上的電壓，從而調(diào)節(jié)總的增益。第八十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日表4-4列舉了日本濱松公司生產(chǎn)的MCP光電倍增管的有關(guān)參數(shù)。第八十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日4.6光電倍增管的應(yīng)用光電倍增管典型產(chǎn)品的光電參數(shù)如表4-5所示。第八十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日精密測量中，正確使用光電倍增管，應(yīng)該注意陽極電流應(yīng)不超過1uA，可以減緩疲勞和老化效應(yīng)，減小負載電阻反饋和分壓器電壓再分配效應(yīng)。電壓分壓器中流過的電流至少應(yīng)大于預(yù)期的最大陽極電流1000倍，即1mA。但是不必過分加大，以避免發(fā)熱。高壓電源的穩(wěn)定性必須為所需測量精度的10倍左右。對電壓的紋波系數(shù)也應(yīng)有所規(guī)定，一般應(yīng)小于0.001%。陰極和第一倍增極之間，以及末級倍增極和陽極之間的極間電壓應(yīng)設(shè)計得與總電壓無關(guān)。光電倍增管的輸出信號采用運算放大器作電流電壓變換，以獲得高的信噪比和好的線性。應(yīng)采取電磁屏蔽，最好使屏蔽筒與陰極處于相同相位。第八十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日光電倍增管應(yīng)貯存在黑暗中，使用前最好先接通高壓電源，在黑暗中存放幾小時。測量很弱的輻射時，光電倍增管的冷卻溫度一般取-20℃。最好在光電陰極前放置優(yōu)質(zhì)的漫射器，可減少因光電陰極區(qū)域靈敏度不同而引起的誤差。光電倍增管不應(yīng)在氦氣中使用，因為它會滲透到玻殼內(nèi)而引起噪聲。為得到最穩(wěn)定的相對光譜靈敏度函數(shù)，光電倍增管應(yīng)讓其自然老化數(shù)年。制