第三章光電技術(shù)PMT課件

5光電發(fā)射效應(yīng)及其PMT3.5.1光電發(fā)射效應(yīng)------外光電效應(yīng)（一）光電發(fā)射原理金屬或半導(dǎo)體在光的照射下吸收光子激發(fā)出自由電子，當(dāng)吸收的能量足以克服原子核對(duì)電子的束縛時(shí)，電子就會(huì)脫離原子核逸出物質(zhì)的表面，這就是物質(zhì)的光電發(fā)射現(xiàn)象，也稱為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。（二）光電效應(yīng)三定律1.光電發(fā)射第一定律——斯托列托夫定律：當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射輻射通量（光強(qiáng)度）成正比：

I：飽和光電流；k：光電發(fā)射靈敏度系數(shù)；

：入射輻射通量；2.光電發(fā)射第二定律光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)：外光電效應(yīng)發(fā)生的條件：3.光電效應(yīng)中有紅限存在，即光電發(fā)射的長(zhǎng)波限為：（三）光電發(fā)射的基本過(guò)程

光電發(fā)射大致可分三個(gè)過(guò)程：1)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)的激發(fā)態(tài)。2)受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。3)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，形成光電子。光電發(fā)射的基本過(guò)程（四）相關(guān)材料特性良好光電發(fā)射材料的標(biāo)準(zhǔn)光吸收系數(shù)大,以便產(chǎn)生較多的受激電子；光電子在體內(nèi)傳輸過(guò)程中受到的能量損失小，使其逸出深度大；表面勢(shì)壘低，使表面逸出幾率大；具有一定的電導(dǎo)率。因?yàn)殡娮映鋈ヒ院?，還要從外部電源補(bǔ)充電子。滿足上述4點(diǎn)的材料就會(huì)得到較高的量子效率，是好的光電發(fā)射材料。為什么純金屬不適合用作光電陰極材料？金屬材料是否滿足上述4點(diǎn)？——其反射率為90%，吸收光能少；——體內(nèi)自由電子多，由于碰撞引起的能量散射損失大，逸出深度小；——逸出功大（>3eV），難逸出金屬表面，量子效率低；——光譜響應(yīng)在紫外或遠(yuǎn)紫外區(qū)（紅限不長(zhǎng)于600nm），適于紫外靈敏的光電器件。半導(dǎo)體作陰極的優(yōu)點(diǎn)光吸收系數(shù)比金屬大；體內(nèi)自由電子少，光電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量損失小，故量子效率比金屬大；價(jià)帶中的電子濃度大，電子逸出功??；光發(fā)射波長(zhǎng)延伸至可見(jiàn)光、近紅外波段。70年代后期——在半導(dǎo)體光電發(fā)射材料的基礎(chǔ)上，發(fā)展了負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極，長(zhǎng)波可至1.6um。EAEAEANP本征半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體電子親和勢(shì)（EA）——指導(dǎo)帶底上的電子向真空逸出所需要的能量。光電逸出功——指材料在絕對(duì)零度時(shí)光電子逸出表面所需的最低能量。描述材料表面對(duì)電子束縛的強(qiáng)弱。5.2光電倍增管(PMT---Photo-multipletube)利用外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)相結(jié)合，把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子獲得倍增的一種真空光電探測(cè)器件，極大地提高了檢測(cè)靈敏度。放大倍數(shù)很高，用于探測(cè)微弱信號(hào)；光電特性的線性關(guān)系好；工作頻率高；性能穩(wěn)定，使用方便；供電電壓高；玻璃外殼，抗震性差；價(jià)格昂貴，體積大；一、光電倍增管的結(jié)構(gòu)與原理——光窗（Inputwindow)——光電陰極(Photocathode)——電子光學(xué)系統(tǒng)——電子倍增系統(tǒng)(Dynodes)——陽(yáng)極(Anode)1、光窗入射光的通道；光窗材料決定了PMT光譜特性的短波閾值;PMT光譜特性的長(zhǎng)波閾值由什么因素決定?光窗通常有側(cè)窗和端窗兩種類型；常用窗口材料有：硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、藍(lán)寶石和氟化鎂等；光電陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面,接收入射光,向外發(fā)射光電子。透射型反射型2、光電陰極（1）結(jié)構(gòu)——把光電發(fā)射體鍍?cè)诮饘倩蛲该鞑牧希úＡЩ蚴⒉ＡВ┥暇椭瞥闪斯怆婈帢O。（2）常用材料：Ag-O-Cs：近紅外唯一具有使用價(jià)值的陰極材料；CsSb：可見(jiàn)、紫外區(qū)有較高的響應(yīng)率;多堿光電陰極（雙、三、、四堿）；負(fù)電子親和勢(shì)材料3、電子光學(xué)系統(tǒng)

——是指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)電極組成電子光學(xué)系統(tǒng)的主要作用：（1）使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能多的會(huì)聚到第一倍增極的有效區(qū)域內(nèi)；而將其它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PMT的快速響應(yīng)。倍增系統(tǒng)：是指由各倍增極構(gòu)成的綜合系統(tǒng)，各倍增極都是由二次電子發(fā)射體構(gòu)成。二次電子發(fā)射效應(yīng)當(dāng)有足夠動(dòng)能的電子轟擊某種材料時(shí),材料表面發(fā)射新的電子的現(xiàn)象。稱入射電子為一次電子,從材料表面發(fā)射的電子為二次電子。用該材料的二次發(fā)射系數(shù)表征材料發(fā)射電子的能力：4、電子倍增系統(tǒng)二次電子發(fā)射的過(guò)程：材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài)（二次電子）；體內(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)；到達(dá)界面的二次電子中能量大于表面勢(shì)壘的電子發(fā)射到真空中，成為二次電子。要求：二次電子發(fā)射系數(shù)要大

倍增極材料主要是Ag-O-Cs、CsSb，靈敏的光電發(fā)射體一般也是良好的二次電子發(fā)射體；氧化物：MgO、BaO；合金型：銀鎂、鋁鎂、銅鎂、鎳鎂、銅鈹?shù)?；?fù)電子親合勢(shì)材料；倍增極結(jié)構(gòu)根據(jù)電子的軌跡，倍增極可分為：

非聚焦型——只加速

如：盒柵式、百葉窗式聚焦型——加速聚焦

如：圓瓦片式（鼠籠式）、直線聚焦式各種倍增極的結(jié)構(gòu)形式

a)百葉窗式

b)盒柵式

c)直瓦片式

d)圓瓦片式5、陽(yáng)極陽(yáng)極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于靠近最末一級(jí)倍增極附近，用來(lái)收集最末一級(jí)倍增極發(fā)射出來(lái)的電子。陽(yáng)極結(jié)構(gòu)示意圖要求：①接收性能良好，盡可能多的收集電子，工作在較大電流時(shí)，不至于產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。

②

輸出電容要小光電倍增管工作原理光電陰極倍增極陽(yáng)極電子光學(xué)系統(tǒng)光電倍增管（PMT）是利用外光電效應(yīng)制成的一種光電探測(cè)器件。其光電轉(zhuǎn)換分為光電發(fā)射和電子倍增兩個(gè)過(guò)程。其工作原理如下圖示。二、光電倍增管的基本特性

1.靈敏度

（1）陰極靈敏度

定義光電倍增管陰極電流Ik與入射光譜輻射通量之比為陰極的光譜靈敏度，并記為

若入射輻射為白光，則以陰極積分靈敏度，IK與光譜輻射通量的積分之比，記為Sk

（2）陽(yáng)極靈敏度

定義光電倍增管陽(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，并記為

若入射輻射為白光，則定義為陽(yáng)極積分靈敏度，記為Sa

2.電流增益（放大倍數(shù)）

電流放大倍數(shù)表征了光電倍增管的內(nèi)增益特性。理想光電倍增管的增益G與電子發(fā)射系數(shù)δ的關(guān)系為對(duì)于銻化銫倍增極材料

對(duì)銀鎂合金材料

光電倍增管在電源電壓確定后，電流放大倍數(shù)可以從定義出發(fā)，通過(guò)測(cè)量陽(yáng)極電流Ia與陰極電流Ik確定。

3.光電特性在很寬的范圍內(nèi)是線性的，如圖P121：圖3.87。

實(shí)際工作時(shí)，要求陽(yáng)極輸出電流不得超過(guò)額定值，一般在100A以下，因此PMT只適用于測(cè)量非常微弱的光信號(hào)。4.光譜特性5.伏安特性當(dāng)入射到光電倍增管陽(yáng)極面上的光通量一定時(shí)，陽(yáng)極電流Ia與陽(yáng)極和末級(jí)倍增極之間電壓(簡(jiǎn)稱為陽(yáng)極電壓Ua)的關(guān)系曲線稱為陽(yáng)極伏安特性，如圖為3組不同強(qiáng)度的光通量的伏安特性。

6.頻率特性：高達(dá)1MHz以上

當(dāng)陽(yáng)極電壓增大到一定程度后，被增大的電子流已經(jīng)能夠完全被陽(yáng)極所收集，陽(yáng)極電流Ia與入射到陰極面上的光通量φ成線性關(guān)系而與陽(yáng)極電壓的變化無(wú)關(guān)。

7.暗電流

光電倍增管在無(wú)輻射作用下的陽(yáng)極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(yīng)用的情況下是很小的，一般為10-16~10-10A，是所有光電探測(cè)器件中暗電流最低的器件。暗電流限制了可測(cè)的直流光通量的最小值影響暗電流的主要因素：1.歐姆漏電2.熱發(fā)射3.殘余氣體放電4.場(chǎng)致發(fā)射5.玻璃殼放電和玻璃熒光8.疲勞與衰老

光電陰極材料和倍增極材料中一般都含有銫金屬。當(dāng)電子束較強(qiáng)時(shí)，電子束的碰撞會(huì)使倍增極和陰極板溫度升高，銫金屬蒸發(fā)，影響陰極和倍增極的電子發(fā)射能力，使靈敏度下降。甚至使光電倍增管的靈敏度完全喪失。因此，必須限制入射的光通量使光電倍增管的輸出電流不得超過(guò)極限值IaM。為防止意外情況發(fā)生，應(yīng)對(duì)光電倍增管進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)，陽(yáng)極電流一旦超過(guò)設(shè)定值便自動(dòng)關(guān)斷供電電源。

三、光電倍增管的供電電路

光電倍增管的供電電路種類很多，可以根據(jù)應(yīng)用的情況設(shè)計(jì)出各具特色的供電電路。本節(jié)介紹最常用的電阻分壓式供電電路。

電路由11個(gè)電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器，分別向10個(gè)倍增極提供電壓UDD。1、電阻鏈的設(shè)計(jì)

考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應(yīng)，各級(jí)的電子流按放大倍率分布，其中，陽(yáng)極電流Ia最大。因此，電阻鏈分壓器中流過(guò)每級(jí)電阻的電流并不相等，但是，當(dāng)流過(guò)分壓電阻的電流IR遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ia時(shí)，即IR＞＞

Ia時(shí)，流過(guò)各分壓電阻Ri的電流近似相等。工程上常設(shè)計(jì)IR大于等于10倍的Ia電流。

IR≥10Ia

選擇的阻值太大將使分壓電阻功率損耗加大，倍增管溫度升高導(dǎo)致性能的降低，以至于溫升太高而無(wú)法工作。

選定電流后，可以計(jì)算出電阻鏈分壓器的總阻值R

R=Ubb/IR各分壓電阻Ri為而R1應(yīng)為R1=1.5RiR1較高,可使UD1較高,從而提高第一倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)。2、電源電壓極間供電電壓UDD直接影響著二次電子發(fā)射系數(shù)δ，或管子的增益G。因此，根據(jù)增益G的要求可以設(shè)計(jì)出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。

由可以計(jì)算出UDD與Ubb，（銻化銫倍增極材料）

（銀鎂合金材料）

3.末極的并聯(lián)電容

當(dāng)入射輻射信號(hào)為高速的迅變信號(hào)或脈沖時(shí)，末3級(jí)倍增極電流變化會(huì)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(gè)電容C1、C2與C3，通過(guò)電容的充放電過(guò)程使末3級(jí)電壓穩(wěn)定。

電容C1、C2與C3的計(jì)算公式為

式中N為倍增極數(shù)，Iam為陽(yáng)極峰值電流，t為脈沖的持續(xù)時(shí)間，UDD為極間電壓

4.電源電壓的穩(wěn)定度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(guān)系

對(duì)銻化銫倍增極

對(duì)銀鎂合金倍增極

由于光電倍增管的輸出信號(hào)Uo=GSkφvRL，因此，輸出信號(hào)的穩(wěn)定度與增益的穩(wěn)定度有關(guān)

在實(shí)際應(yīng)用中常常對(duì)電源電壓穩(wěn)定度的要求簡(jiǎn)單地認(rèn)為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，當(dāng)要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時(shí)，則要求電源電壓穩(wěn)定度應(yīng)高于0.1%。

例1：當(dāng)采用GDB-235型光電倍增管接收持續(xù)時(shí)間為200ns的光脈沖，已知它的倍增級(jí)數(shù)為8級(jí)，陰極為SbCs材料，倍增極也為SbCs材料，極間電壓為100V，陽(yáng)極輸出峰值電流為100A，輸出電壓為5V。并要求放大倍數(shù)的穩(wěn)定度為1%。設(shè)計(jì)此PMT的供電電路，并確定電源電壓的穩(wěn)定度至少為多少？解

采用電阻鏈均勻分壓的供電電路,(1)總電壓U=NUDD

=8100V=800V(2)選擇電阻鏈的電流IR=10

Iamin(3)因此，總電阻為: