第五章 真空光电器件

1、5.1 5.1 光电阴极光电阴极 工作基础：工作基础：基于外光电效应的光电探测器件基于外光电效应的光电探测器件 结构特点：结构特点：有一个真空管，其它元件都放在真空管中有一个真空管，其它元件都放在真空管中 分类：分类：光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管 入射光辐射的光子能量足够大时，它和金入射光辐射的光子能量足够大时，它和金 属或半导体材料中的电子相互作用的结果使电子从物质表面逸属或半导体材料中的电子相互作用的结果使电子从物质表面逸 出，出，-光电发射效应。光电发射效应。 在空间电场的作用下就会形成在空间电场的作用下就会形成电流电流 光电发射体光电发射体-能够产生光电发射效应的物体能够产生光

2、电发射效应的物体 光电阴极光电阴极-应用中光电发射体常和电源的阴极相连，所以称为应用中光电发射体常和电源的阴极相连，所以称为 光电发射效应光电发射效应- （1）光照灵敏度）光照灵敏度 在一定的白光照射下，光电阴极光电流与入射的白光光通量在一定的白光照射下，光电阴极光电流与入射的白光光通量 之比，也称为白光灵敏度或积分灵敏度之比，也称为白光灵敏度或积分灵敏度 （2）色光灵敏度）色光灵敏度 当入射光波长为某一段波长范围的光时，当入射光波长为某一段波长范围的光时， 光电阴极光电流与入射的光通量之比。光电阴极光电流与入射的光通量之比。 通过加滤光片来实现，比如蓝光灵敏度、通过加滤光片来实现，比如蓝光灵

3、敏度、 红光灵敏度、红外灵敏度等红光灵敏度、红外灵敏度等 （3）光谱灵敏度）光谱灵敏度 确定波长的单色光照射时，光电阴极光电流与入射的光通量之确定波长的单色光照射时，光电阴极光电流与入射的光通量之 比。比。 )(N )(N Q P e 入射的光子数与产生的电子数之比入射的光子数与产生的电子数之比 )(N )(N Q P e 量子效率与光谱灵敏度之间的关系量子效率与光谱灵敏度之间的关系 光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射光波长的关系曲线光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射光波长的关系曲线 由于电子热能较大，而可能逸出阴极表面，而产生热电子发射由于电子热能较大，而可能逸出阴极表面，而产生热电子发

4、射 室温下典型阴极每秒每平方米发射的热电子可室温下典型阴极每秒每平方米发射的热电子可 形成形成10-1610-17A/m2的电流的电流对于光电测量而言是噪声对于光电测量而言是噪声 hv)( q)( I e q hc )(S 1240)(S 透射型：透射型：光通过透明介质射向光电阴极，而电子从光光通过透明介质射向光电阴极，而电子从光 电阴极的另一面发射出去电阴极的另一面发射出去 光光电子电子 反射型：反射型： 光照射到阴极上，电子从同一测射出光照射到阴极上，电子从同一测射出 对阴极的厚度有要对阴极的厚度有要 求求,不能太厚不能太厚 光光 电子电子 阴极一阴极一 般较厚般较厚 具有良好的可见和近红

5、外响应具有良好的可见和近红外响应 透射型：透射型：3001200nm，反射型：，反射型：3001100nm 在可见光区域灵敏度较低，所以主要用于近红外探测在可见光区域灵敏度较低，所以主要用于近红外探测 紫外和可见光区的灵敏度最高紫外和可见光区的灵敏度最高 适合于测量较强的入射光适合于测量较强的入射光 CsSb： 锑和某一种碱金锑和某一种碱金 属的化合物属的化合物 锑和多种碱金属锑和多种碱金属 的化合物的化合物 具有高灵敏度的宽光谱响应，红具有高灵敏度的宽光谱响应，红 外端可延伸到外端可延伸到930nm 半导体光电阴极的光电子的逸出过程，以半导体光电阴极的光电子的逸出过程，以P型半导体为例型半导

6、体为例 V0 EE 价带价带 导带导带 E0 EC EV Eg E0 th E)EE(E cog （电子亲合势）（电子亲合势） A E P N 负电子亲合势负电子亲合势- E EO O E EC1 C1 E EV1 V1 E EC2 C2 E EV2 V2 E EO O E EA1 A1 E EC1 C1 E EV1 V1 E EC2 C2 E EV2 V2表面耗尽区表面耗尽区 P P N N 0 负电子亲合势负电子亲合势 1coA EEE 加速加速 特点：特点： 1）量子效率高）量子效率高 -因其因其逸出深度逸出深度高的多高的多 2）光谱响应率均匀，且光谱响应延伸到红外）光谱响应率均匀，且光

7、谱响应延伸到红外 正电子亲合势光电阴正电子亲合势光电阴 极的阈值波长为极的阈值波长为 )nm( EE 1240 Ag 0 负电子亲合势光电负电子亲合势光电 阴极的阈值波长为阴极的阈值波长为 )nm( E 1240 g 0 3）热电子发射小）热电子发射小 因负电子亲合势的光电材料的禁带宽度般比较宽因负电子亲合势的光电材料的禁带宽度般比较宽 4）光电子的能量集中）光电子的能量集中 -“日日”盲型光电阴极盲型光电阴极 CsTe(长波限长波限0.32mm） CsI（长波限（长波限0.2m) 目前比较常用的有目前比较常用的有 5.2 5.2 光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管 阴极阴极K K 阳极阳极

8、A A I I R RL L U Uout out U Ub b 真空型真空型 充气型：充气型：有有 倍增作用倍增作用 光电倍增管比光电管增加的电子光学系统和电子倍增极，因光电倍增管比光电管增加的电子光学系统和电子倍增极，因 此极大地提高了灵敏度此极大地提高了灵敏度 光电倍增管光电倍增管-是建立在光电子发射效应，二次电子发射是建立在光电子发射效应，二次电子发射 效率应基础上，能将微弱光信号转换成光电子并将光电子效率应基础上，能将微弱光信号转换成光电子并将光电子 数目放大的真空光电发射器件。数目放大的真空光电发射器件。 电子光学系统电子光学系统 阴极阴极K K A A阳极阳极 A U U1 1U

9、 U2 2U U5 5U U6 6 U U3 3 D D2 2 U U4 4 D D3 3D D1 1 D D4 4 D D5 5 每一倍增极之间的电压为每一倍增极之间的电压为50-150V50-150V。 每每7-107-10个光子从光电阴极发射出个光子从光电阴极发射出1-31-3个电子。个电子。 电子被加速打在倍增极上，每电子被加速打在倍增极上，每1 1个电子可以打出个电子可以打出3-63-6个电子。个电子。 一直持续下去直到最后一个倍增极一直持续下去直到最后一个倍增极, ,电子数量达到电子数量达到10105 5-10-108 8， 最后这些电子被吸引到阳极形成电流输出。电流的大小正比于光

10、阴极接受最后这些电子被吸引到阳极形成电流输出。电流的大小正比于光阴极接受 的光子数目，即正比于探测器吸收的辐射通量或照度。的光子数目，即正比于探测器吸收的辐射通量或照度。 工作原理工作原理 反射式光反射式光 电阴极电阴极 透射式光透射式光 电阴极电阴极 硼硅玻璃：硼硅玻璃：透射范围从透射范围从300nm红外红外 透紫外玻璃：透紫外玻璃：可透过的最短波长为可透过的最短波长为185nm，但化学稳定性，但化学稳定性 较差较差 -决定了入射光的透过情况决定了入射光的透过情况 侧窗式侧窗式 端窗式端窗式 熔融石英：熔融石英：可透过的最短波长为可透过的最短波长为160nm 蓝宝石：蓝宝石：可透过的最短波长

11、为可透过的最短波长为150nm MgF2: 可透过的最短波长为可透过的最短波长为115nm 是指：阴极到第一是指：阴极到第一 倍增极之间的电极倍增极之间的电极 空间，包括光电阴空间，包括光电阴 极、聚焦极、加速极、聚焦极、加速 极及第一倍增极。极及第一倍增极。 作用：作用： 使光电子尽可能的汇集到第一倍增集使光电子尽可能的汇集到第一倍增集 上，而将热发射的杂乱电子散射掉上，而将热发射的杂乱电子散射掉 尽量使电子的渡越时间相同尽量使电子的渡越时间相同 电子光学系统电子光学系统 二次电子二次电子 发射系数发射系数 1 2 N N 材料吸收一次电子的能量，跃迁到高能态，脱离材料吸收一次电子的能量，跃

12、迁到高能态，脱离 原子的速缚，称为内二次电子原子的速缚，称为内二次电子 内二次电子中速度指向表面的电子向表面运动内二次电子中速度指向表面的电子向表面运动 穿过表面势垒区发射到真空中穿过表面势垒区发射到真空中 主要银氧和锑銫两种化合物，它们即可做光电发射材料，也可做二次电子主要银氧和锑銫两种化合物，它们即可做光电发射材料，也可做二次电子 发射材料发射材料 氧化物型，氧化镁、氧化钡氧化物型，氧化镁、氧化钡 合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍 负电子亲合势材料，如铯激活的磷化镓负电子亲合势材料，如铯激活的磷化镓 一般为一般为3-63-6个个 可达可达20-2520-25个个

13、 N N1 1入射光子数入射光子数 N N2 2出射光电数出射光电数 有聚焦型和非聚焦型两大类。有聚焦型和非聚焦型两大类。 聚焦型聚焦型- 鼠笼式、直线聚焦式鼠笼式、直线聚焦式 非聚焦型非聚焦型- 盒栅式、百叶窗式、近贴栅网式、盒栅式、百叶窗式、近贴栅网式、 微通道板式微通道板式 AK U Uout out 阴极阴极K KA A阳极阳极D D2 2 E=700-3000VE=700-3000V D D3 3D D1 1 D D4 4 D D5 5 R R6 6R R3 3R R2 2 R R1 1 R R4 4R R5 5 R RL L I IP P 5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管

14、的主要特性参数 阴极光谱灵敏度阴极光谱灵敏度 窗口材料窗口材料 光电阴极材料光电阴极材料阳极光谱灵敏度阳极光谱灵敏度 光电倍增管放大系数光电倍增管放大系数 l阴极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比阴极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比 K K I S I IK K I IK K 阴极阴极K K A A阳极阳极 A D2 D3D1 D4 D5 白光灵敏度白光灵敏度 单色灵敏度，或光谱灵敏度单色灵敏度，或光谱灵敏度 以阴极为一极，其它倍增极和阳极连在一起为一以阴极为一极，其它倍增极和阳极连在一起为一 极，即无倍增时的光电流与入射辐射通量之比值。极，即无倍增时的光电流与入射辐射通量之比值。 l阳

15、极灵敏度：阳极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比阴极输出电流与入射光通量之比 P P I S I IP P 白光灵敏度白光灵敏度 蓝光灵敏度、红光灵敏度蓝光灵敏度、红光灵敏度 各种单色灵敏度各种单色灵敏度 光电倍增管正常工作下的总输出电流与入射辐射通光电倍增管正常工作下的总输出电流与入射辐射通 量之比值。量之比值。 阴极阴极K KA A阳极阳极 A U1U2U5U6 U3 D2 U4 D3D1 D4 D5 k 1 2 CU N N 二次电子发射系数二次电子发射系数 与极间电压的关系与极间电压的关系 C是常数是常数 k一般为一般为0.70.8 设第一，第二、第三、设第一，第二、第三、第、第N极

16、的倍增系数分别为：极的倍增系数分别为： N321 ,., 且电子光学系统的电子收集率为：且电子光学系统的电子收集率为： 则阳极光电电流和阴极电流的关系为则阳极光电电流和阴极电流的关系为 N321KP .II 设各倍增系数都为设各倍增系数都为则：则： kNNU C K P I I M Nk )CU( N kN kN N E )1N( C kNN ) 1N E (C kN AE 正常工作状态下正常工作状态下,但无信号光照的情况下但无信号光照的情况下,阳极的电流输出阳极的电流输出 （1）阴极的热电子发射是主要原因。）阴极的热电子发射是主要原因。 只能通过降低阴极温度来减弱。只能通过降低阴极温度来减弱

17、。 （2）支撑电极的绝缘体的漏电。保持清洁）支撑电极的绝缘体的漏电。保持清洁 （3）高压电场产生离子反馈）高压电场产生离子反馈,进而形成光反馈进而形成光反馈 器件本身的散粒噪声：器件本身的散粒噪声：对于一些不连续的量对于一些不连续的量,如电子发射如电子发射, 光子发射光子发射,电子流等电子流等,其发射率在平均值附近上下起伏其发射率在平均值附近上下起伏,而产而产 生噪声生噪声.-大部分由阴极的热电子发射引起大部分由阴极的热电子发射引起 器件本身的热噪声器件本身的热噪声 负载电阻的热噪声负载电阻的热噪声 光电阴极和倍增极的闪烁噪声光电阴极和倍增极的闪烁噪声(1/f噪声噪声) fqI2i 2 n 一

18、般采用冷却的方法来抑制，但有几点要注意一般采用冷却的方法来抑制，但有几点要注意. 光电阴极的光谱响应曲线会随温度而变化，光电仪器定光电阴极的光谱响应曲线会随温度而变化，光电仪器定 标时的工作温度必须和测量温度相同标时的工作温度必须和测量温度相同 光电阴极（如光电阴极（如CsSb)CsSb)的电阻会随温度一降而很快增加，的电阻会随温度一降而很快增加， 结果光电流改变了阴极的电位分布，从而影响第一倍增极结果光电流改变了阴极的电位分布，从而影响第一倍增极 的光电子收集效率的光电子收集效率 冷却时要防止光入射窗上凝结水汽，引起入射光线的散冷却时要防止光入射窗上凝结水汽，引起入射光线的散 射，同样在管座

19、上也易引起高压击穿和漏电流射，同样在管座上也易引起高压击穿和漏电流 致冷温度不能过低，否则可能会引起阴极和倍增极材料致冷温度不能过低，否则可能会引起阴极和倍增极材料 的损坏，或者是玻壳封结处裂开的损坏，或者是玻壳封结处裂开 2 2）阳极伏安特性曲线）阳极伏安特性曲线 2 3 5 10 15 I IA A(A)(A) UP(V) 5050100100 相应于不同辐射通量值的阳极伏安相应于不同辐射通量值的阳极伏安 特性示于图中，它表示阳极电流特性示于图中，它表示阳极电流 I IP P 对于最后一级倍增极和阳极间的电对于最后一级倍增极和阳极间的电 压压U U的关系。作此曲线时，其余各电的关系。作此曲

20、线时，其余各电 极的电压保持恒定。极的电压保持恒定。 1 1）阴极伏安特性曲线）阴极伏安特性曲线 2 3 5 10 15 I IK K(nA)(nA) UK(V) 5050100100 它表示阴极电流它表示阴极电流 I IK K 与与阴极与第一倍阴极与第一倍 增极之间电压的关系。增极之间电压的关系。 -表征阳极电流与阴极光通量之间关系。表征阳极电流与阴极光通量之间关系。 在一定的光照度范围内，光电倍增管的输出与在一定的光照度范围内，光电倍增管的输出与 入射光功率保持正比例关系，但是随着入射光入射光功率保持正比例关系，但是随着入射光 强的增强，在最后几级倍增极上出现较大的电强的增强，在最后几级倍

21、增极上出现较大的电 流，倍增极的次级电子发射因大量发射电子而流，倍增极的次级电子发射因大量发射电子而 出现疲劳效应，又由于较大的电流形成显著的出现疲劳效应，又由于较大的电流形成显著的 空间电荷而使电子的加速受阻，因此使增益降空间电荷而使电子的加速受阻，因此使增益降 低。低。 工作在饱合区时信号会失真。工作在饱合区时信号会失真。 I IP P 线性区线性区 饱合区饱合区 5.4 光电倍增管的供电和信号输出电路光电倍增管的供电和信号输出电路 5.4.1 高压电源高压电源 要求稳定度在要求稳定度在0.01%0.05%之间之间 5.4.2 高压分压电路高压分压电路 -将高压分配在各极之间的电路将高压分

22、配在各极之间的电路 阴极阴极K KA A阳极阳极D D2 2 E E D D3 3D D1 1 D D4 4 D D5 5 R R6 6R R3 3R R2 2 R R1 1 R R4 4R R5 5 I IP P b I A 0 b I - 阴极阴极K KA A阳极阳极D D2 2 U U D D3 3D D1 1 D D4 4 D D5 5 R R6 6R R3 3R R2 2 R R1 1 R R4 4R R5 5 R RL L I IP P b I Cs 阴极阴极K KA A阳极阳极D D2 2 U U D D3 3D D1 1 D D4 4 D D5 5 R R6 6R R3 3R

23、R2 2 R R1 1 R R4 4R R5 5 U Uout outR RL L I IP P 5.4.3 分压电流与输出线性的关系分压电流与输出线性的关系 分压电流：流经分压电路的电流分压电流：流经分压电路的电流 b I A段：段： 当入射光比较弱时，流经各分压电阻的电流差别当入射光比较弱时，流经各分压电阻的电流差别 不大，所以此时成线性不大，所以此时成线性 B段：段： 当入射光再增强，前面几级所分得的电压明显增大，当入射光再增强，前面几级所分得的电压明显增大， 使它们的二次电子发射系数增大，而这种改变又一步使它们的二次电子发射系数增大，而这种改变又一步 步的被放大，所以使输出电流的放大倍

24、数增大步的被放大，所以使输出电流的放大倍数增大 C段：段： 当入射光再增强，用电器上的电压降比较大，使最后一级与阳级之间的电当入射光再增强，用电器上的电压降比较大，使最后一级与阳级之间的电 压被显著降低，使电子的收集率大大降低，从而进入饱和区压被显著降低，使电子的收集率大大降低，从而进入饱和区 b I 一般光电流的最大直流输出为分压电流的一般光电流的最大直流输出为分压电流的1/201/50，从而使光，从而使光 电流的改变不能对各分压电阻上的电压造成显著的影响电流的改变不能对各分压电阻上的电压造成显著的影响 要增大线性输出范围，通常采用两种方法：要增大线性输出范围，通常采用两种方法： 减小分压电

25、阻的阻值来增加分减小分压电阻的阻值来增加分 压电流压电流 在最后一倍增极和阳极之间使在最后一倍增极和阳极之间使 用一只齐纳二极管，如果必要倒用一只齐纳二极管，如果必要倒 数第二、第三极也可以使用数第二、第三极也可以使用 5.4.4 信号输出方式信号输出方式 在频率响应要求比较高的场合，负载电阻应尽量可能小一些在频率响应要求比较高的场合，负载电阻应尽量可能小一些 当输现信号的线性要求较高时，选择的负载电阻应使信号电流当输现信号的线性要求较高时，选择的负载电阻应使信号电流 在它上面的电压降在几伏以下在它上面的电压降在几伏以下 负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多 L

26、s c RC2 1 f LinL0 RR/RR 0 U fP0 RIU 0 + 5.5 微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管 微通道的排列 +高压 电子 入口 电子 出口 微通道板的结构：微通道板的结构：微通道板是由成千微通道板是由成千 上万个直径为上万个直径为1540m、长度为、长度为 0.61.6mm的微通道组成的，微通道的微通道组成的，微通道 的内壁镀有高阻值的二次电子发射材的内壁镀有高阻值的二次电子发射材 料。料。 微通道板的工作原理微通道板的工作原理 用微通道板代替传统光电倍增管中用微通道板代替传统光电倍增管中 的电子倍增器的光电倍增管的电子倍增器的光电倍增管 为了减小微通道内残存离

27、子的影响，为了减小微通道内残存离子的影响， 防止雪崩击穿中，通常使用防止雪崩击穿中，通常使用Z形的形的 折线通道折线通道 优点：优点： 尺寸大为缩小尺寸大为缩小 响应速度大大提高响应速度大大提高 5.6 光电倍增管的应用光电倍增管的应用 5.6.1光谱测量光谱测量 以其光谱响应范围宽而被广泛应用于：生产过程控制、无素的以其光谱响应范围宽而被广泛应用于：生产过程控制、无素的 测定、各种化学分析和冶金学分析仪器中测定、各种化学分析和冶金学分析仪器中 5.6.2 极微弱光信号的测量极微弱光信号的测量-光子计数光子计数 一般测量范围为：一般测量范围为： 大于大于10-18W(每秒约每秒约10个个 光子左右光子左右)，小于，小于10- 14W(每秒约 每秒约105个光子个光子) 5.6.2 射线的探测射线的探测 -将闪烁晶体与将闪烁晶体与 光电倍增管结合光电倍增管结合 在一起来测量高在一起来测量高 能粒子能粒子 x y 1.1.若某一光电倍增管的阴极是用半导体若某一光电倍增管的阴极是用半导体GaAsGaAs做成，已知做成，已知GaAsGaAs的电子亲的电子亲 合势为合势为4eV4eV，禁带宽度为，禁带宽度为1 1.4eVeV，则能使这种阴极产生电子发射的长波限是多，则能使这种阴极产生电子发射的长波限