第四章真空光电器件

1、4.14.1光电管光电管4.24.2光电倍增管光电倍增管第四章第四章 真空光电器件真空光电器件4.1 光电管光电管一、概述一、概述二、工作原理二、工作原理三、分类三、分类四、主要特性四、主要特性五、注意事项五、注意事项概述概述光电管是依据光电管是依据光电发射效应光电发射效应而工作的一种光电而工作的一种光电探测器。探测器。其结构原理和偏置电路如图所示，其结构原理和偏置电路如图所示，主主要由要由发射光电子的光阴极发射光电子的光阴极K、收集电子的阳极、收集电子的阳极A和和管壳管壳组成。组成。光阳极 A阴极 K光透射型反射型VRLuAKGD光电管的光电管的核心部件核心部件是是光阴极光阴极K，它的，它的

2、光电发射性能的好坏，在很大程度上决光电发射性能的好坏，在很大程度上决定了光电管工作性能的优劣。定了光电管工作性能的优劣。阳极阳极A起着收集电子的作用，起着收集电子的作用，其形状其形状和位置都经过精心设计。和位置都经过精心设计。光阳极 A阴极 K光透射型反射型VRLuAKGD国产光电管的代号用字符国产光电管的代号用字符GD表示。表示。 如果管壳内是真空状态，就称为如果管壳内是真空状态，就称为真空真空光电管光电管。 如果管壳内充有增益气体，就称为如果管壳内充有增益气体，就称为充充气光电管。气光电管。按照接收光辐射的形式又有按照接收光辐射的形式又有反射型和反射型和透射型透射型光电管之分。光电管之分。

3、 工作原理工作原理AK正离子正离子电子电子AK真空光电管真空光电管充气光电管充气光电管工作原理工作原理当入射光线透过光窗照射到光电当入射光线透过光窗照射到光电阴极阴极K上时，光电子就从光电阴极上时，光电子就从光电阴极发射到真空中。发射到真空中。 在电场的作用下在电场的作用下，光电子在极间，光电子在极间做做加速加速运动，最后这些电子被具有运动，最后这些电子被具有极高电位的阳极所接受。极高电位的阳极所接受。在阳极电路中可以测出光电流的数在阳极电路中可以测出光电流的数值，值，光电流的大小光电流的大小主要取决于主要取决于光照光照强度强度与与光电阴极的灵敏度光电阴极的灵敏度。AK真空光电管真空光电管由于

4、由于管壳内装有增益气体管壳内装有增益气体，光，光电阴极发射出来的电阴极发射出来的光电子光电子在电场在电场作用下向阳极做加速运动，途中作用下向阳极做加速运动，途中和气体原子发生碰撞，形成和气体原子发生碰撞，形成电子电子和正离子和正离子。电离出来的电子在电场作用下电离出来的电子在电场作用下与光电子一起与光电子一起再次再次使气体原子电使气体原子电离，如此反复，使得电子数目增离，如此反复，使得电子数目增多，从而有效地增加了电流值，多，从而有效地增加了电流值，同时正离子也在同一电场作用下，同时正离子也在同一电场作用下，向阴极运动，形成离子电流，其向阴极运动，形成离子电流，其数值与电子电流相当。这样，在数

5、值与电子电流相当。这样，在阳极电路内就形成了数倍于真空阳极电路内就形成了数倍于真空光电管的光电流光电管的光电流。AK充气光电管充气光电管就充气光电管而言需注意的问题：就充气光电管而言需注意的问题：气体性质气体性质：有良好的化学性质：有良好的化学性质气体压力气体压力：零点几至几千兆范围内：零点几至几千兆范围内放大倍数放大倍数：用：用M表示，阳极输出的光电流表示，阳极输出的光电流IA与与阴极光电发射电流阴极光电发射电流IK之比之比即即KAIIM 分类分类按光电阴极材料分按光电阴极材料分a、锑铯型、锑铯型b、银氧铯型、银氧铯型 c、锑钾钠铯型、锑钾钠铯型按照光电阴极与阳极位置不同及形状不同可按照光电

6、阴极与阳极位置不同及形状不同可分为分为a、中心阴极型、中心阴极型b、中心阳极型、中心阳极型c、半圆柱面阴极型、半圆柱面阴极型d、平行平板电极型、平行平板电极型AK透明的导电膜透明的导电膜不透明的金属层不透明的金属层光窗光窗AK优点优点：阳极收集率高：阳极收集率高缺点缺点：光电阴极面小，受：光电阴极面小，受光面积有限，接受的光通光面积有限，接受的光通量小量小适用于低照度下测量光电适用于低照度下测量光电子的初速度子的初速度优点优点：受光面积大，电子在：受光面积大，电子在极间的渡越时间一致，极间极间的渡越时间一致，极间电容小，频率特性好电容小，频率特性好缺点缺点：阳极收集率低：阳极收集率低AK优点优

7、点：有利于增加极间的：有利于增加极间的绝缘性，降低漏电绝缘性，降低漏电缺点缺点：电子运动轨迹较乱：电子运动轨迹较乱AK优点优点：极间：极间电场均匀电场均匀，光电子的运动轨迹为光电子的运动轨迹为直直线型线型，管子能承受较大，管子能承受较大的工作电流，并能保持的工作电流，并能保持良好的的光电线性良好的的光电线性，收，收集率高，接受光通量大集率高，接受光通量大主要特性主要特性光照特性光照特性伏安特性伏安特性频率特性频率特性稳定性稳定性暗电流与噪声暗电流与噪声光照特性光照特性P(lm）I1205101520250.2 0.4 0.6 0.8 13456曲线曲线1、2、3是对是对真真空光电管空光电管而言

8、的而言的曲线曲线4、5、6则是则是充充气光电管气光电管情况。情况。不论那一种情况，不论那一种情况，光光电流与光通量电流与光通量在一定在一定范围内呈直线关系，范围内呈直线关系，通常将与直线部分相通常将与直线部分相对应的光照量范围称对应的光照量范围称为为光电管的动态范围光电管的动态范围。真空光电管真空光电管1,2,3： 1、弱光照射下弱光照射下，可保，可保持光电线性关系，但会受持光电线性关系，但会受到暗电流及暗电流的涨落到暗电流及暗电流的涨落所引起的噪声的限制；所引起的噪声的限制； 2、强光照射下强光照射下，往往，往往发生线性偏离，这主要是发生线性偏离，这主要是因为因为阴极发射过程阴极发射过程产生

9、光产生光电疲乏，层内补充电子困电疲乏，层内补充电子困难，且电流大时层内会产难，且电流大时层内会产生较大的电压降，生较大的电压降，影响阳影响阳极对饱和光电流的接受极对饱和光电流的接受。P(lm）I1205101520250.2 0.4 0.6 0.8 13456充气光电管充气光电管4、5、6:内阳极电流与光照之间没有严格的线性关内阳极电流与光照之间没有严格的线性关系，因为系，因为其阳极电流不仅取决于阴极发射的其阳极电流不仅取决于阴极发射的光电子，还有气体电离的电子及离子。光电子，还有气体电离的电子及离子。只有在一定条件下，一定的光强范围内，只有在一定条件下，一定的光强范围内，阳极电流与光照之间才

10、有线性关系。阳极电流与光照之间才有线性关系。P1 P2 P3EIP1P2 P3RL1 RL2 RL3RL1RL2 RL3I E气压不同气压不同负载不同负载不同真空光电管与充气光电管相比真空光电管与充气光电管相比:灵敏度低灵敏度低;线性好线性好;动态范围大动态范围大;真空光电管的稳定性更好一些真空光电管的稳定性更好一些因此在光电测量，光电转换，光电因此在光电测量，光电转换，光电控制中应用更多一些。控制中应用更多一些。 伏安特性伏安特性从光电管的偏置电路可知，光电管两端电从光电管的偏置电路可知，光电管两端电压压u和流过的电流和流过的电流i之间有关系之间有关系: 式中式中V是偏置电压是偏置电压(或电

11、源电压或电源电压)。u和和i之间的变化关系称为之间的变化关系称为光电管的伏安特光电管的伏安特性。性。LiRVuVRLuAKGD偏置电路偏置电路真空光电管真空光电管: 其伏安特性总会出现饱和区，当阳极电压为其伏安特性总会出现饱和区，当阳极电压为50-100伏时，所有的光电子都到达阳极，电压再伏时，所有的光电子都到达阳极，电压再增高，光电流不再增大，光电流开始出现饱和现增高，光电流不再增大，光电流开始出现饱和现象。象。 光电管通常都是工作在饱和区内，也就是说，光电管通常都是工作在饱和区内，也就是说，偏置电压要高于偏置电压要高于50-100伏。伏。 0 100 2005100.15lx0.10lx0

12、.05lxU/VI/A不同光通量的不同光通量的0lx无光照时无光照时当光照功率当光照功率P=0时，电流时，电流i并不为零，称为并不为零，称为暗电流暗电流。这。这说明，光电管并不呈开路状态，而具有暗电阻说明，光电管并不呈开路状态，而具有暗电阻Rd。 所以光电管的暗电导所以光电管的暗电导g为为:因为因为g值通常是很小的，所以值通常是很小的，所以Rd是很大的值是很大的值通常说光电管是个通常说光电管是个高内阻元件高内阻元件。tan1iuRdtan1dRg0 100 2005100.15lx0.10lx0.05lxU/VI/A0lxVV/RLVRLuAKGD偏置电路偏置电路i充气光电管充气光电管:没有饱

13、和区，由图可知，阳极电压很低时，管内的没有饱和区，由图可知，阳极电压很低时，管内的气体没有电离放大作用，阳极电流很小。气体没有电离放大作用，阳极电流很小。随着阳极电压的升高，管内气体开始电离，阳极电随着阳极电压的升高，管内气体开始电离，阳极电流迅速增大。流迅速增大。0 100 200 300 510U/VI/A不同光通量的不同光通量的0.31lm0.21lm0.011lm0频率特性频率特性光电管的频率特性指光电管的频率特性指光电流与入射光频率光电流与入射光频率之间的关系曲线，之间的关系曲线，频率特性的好坏取决于频率特性的好坏取决于载载流子渡越时间，极间电容，光子结构，工作流子渡越时间，极间电容

14、，光子结构，工作电压及负载电阻电压及负载电阻。充气光电管的惰性比真空光电管的大充气光电管的惰性比真空光电管的大,充气充气光电管的频率特性光电管的频率特性不如不如真空光电管真空光电管原因：气体正离子的质量远大于电子，它原因：气体正离子的质量远大于电子，它在极间的渡越时间比电子长的多在极间的渡越时间比电子长的多.稳定性稳定性光电管具有良好的光电管具有良好的短期稳定性短期稳定性若连续使用光电管，其灵敏度有下降的趋势，特别若连续使用光电管，其灵敏度有下降的趋势，特别是在强光照射下更是如此是在强光照射下更是如此 1、开始时灵敏度下降快，后来较慢，最后几乎保、开始时灵敏度下降快，后来较慢，最后几乎保持不变

15、，趋于稳定。持不变，趋于稳定。 2、若把使用过的管子在黑暗环境中放置一段时间、若把使用过的管子在黑暗环境中放置一段时间后，其灵敏度可部分或全部得到恢复，这称为光电后，其灵敏度可部分或全部得到恢复，这称为光电管的管的疲乏疲乏；若不能恢复，称为光电管的；若不能恢复，称为光电管的衰老衰老。光电管的光电管的时间稳定性时间稳定性取决于取决于光电阴极的疲乏与衰老光电阴极的疲乏与衰老程度。程度。即光电管的寿命同光电阴极的寿命一致。它即光电管的寿命同光电阴极的寿命一致。它与与光电阴极的种类，照射光的强弱，入射光的波长光电阴极的种类，照射光的强弱，入射光的波长有关。有关。暗电流与噪声暗电流与噪声暗电流是不可避免

16、的，尤其在室温低照度条件下，暗电流是不可避免的，尤其在室温低照度条件下，尤其对真空光电管而言，限制了对弱光的正确测量。尤其对真空光电管而言，限制了对弱光的正确测量。因此在弱光检测中应尽量使它工作在因此在弱光检测中应尽量使它工作在温度低温度低的状态。的状态。光电管的暗电流主要是光电管的暗电流主要是由极间漏电及阴极热发射由极间漏电及阴极热发射所引起的。所引起的。充气光电管比真空光电管的噪声大充气光电管比真空光电管的噪声大，由于热发射，由于热发射电流也参与气体电离放大的作用，所以会形成较大电流也参与气体电离放大的作用，所以会形成较大的热发射噪声；组成阳极电流的正离子的散粒噪声的热发射噪声；组成阳极电

17、流的正离子的散粒噪声也比较大的缘故。也比较大的缘故。注意事项注意事项光电管不使用时，应存放在黑盒内，使光电管不使用时，应存放在黑盒内，使用时要求均匀照射光阴极，不允许集中照用时要求均匀照射光阴极，不允许集中照射光阴极一小部分。射光阴极一小部分。环境温度要求保持在环境温度要求保持在1045C之间。之间。4.2光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管一、工作原理一、工作原理二、结构组成二、结构组成三、主要性能及参数三、主要性能及参数四、四、PMT的光电特性的光电特性五、选择五、选择PMT考虑的因素考虑的因素一、一、PMT的工作原理的工作原理KD1 D3D2 D4A R1 R2 R3 Rn Rn+1

18、D1 D2 D3 DnARLPMT的工作原理图的工作原理图PMT的各电极连接电路图的各电极连接电路图光电阴极光电阴极二次电子倍增器二次电子倍增器二、光电倍增管的结构组成二、光电倍增管的结构组成它主要由它主要由光窗、光电阴极、电子光学系统、光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。五个主要部分组成。KD1 D3D2 D4A1、光窗、光窗侧窗式侧窗式端窗式端窗式K2、光电阴极、光电阴极 把光电发射体镀在金属后透明材料上即可制把光电发射体镀在金属后透明材料上即可制成，起着在光照情况下发射光电子的作用成，起着在光照情况下发射光电子的作用a 、银氧铯、银氧铯(A

19、g-O-Cs)光电阴极光电阴极 红外探测，暗电流大，稳定性差，红外探测，暗电流大，稳定性差，易疲劳及易疲劳及老化老化b、单碱锑化物光电阴极、单碱锑化物光电阴极 与与a比较而言，暗电流小，疲劳及老化程度比较而言，暗电流小，疲劳及老化程度小些小些c、多碱锑化物光电阴极、多碱锑化物光电阴极 耐高温，暗电流、疲劳及老化都小但耐高温，暗电流、疲劳及老化都小但工艺复杂，成本高工艺复杂，成本高d、负电子亲和势光电阴极、负电子亲和势光电阴极(NEA)低反射性，高量子效率，暗电流小，低反射性，高量子效率，暗电流小，但工艺复杂，成本高但工艺复杂，成本高3、电子光学系统、电子光学系统概念：概念：光电阴光电阴极至第一

20、倍增极至第一倍增极之间的区域极之间的区域收集率高收集率高渡越时间渡越时间一致一致12带孔膜片带孔膜片3与与电子光学系统结构图电子光学系统结构图K从阴极中心和边缘从阴极中心和边缘所发射的光电子到所发射的光电子到达第一倍增极时所达第一倍增极时所经历的时间差经历的时间差4、电子倍增系统、电子倍增系统聚焦型聚焦型：不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从：不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子两电极间的电子运动轨迹，可能有交叉。运动轨迹，可能有交叉。非聚焦非聚焦：在两电极间的电子运动轨迹是平行的。只对：在两电极间的电子运动

21、轨迹是平行的。只对前一倍增级有加速。前一倍增级有加速。各种倍增极的结构形式各种倍增极的结构形式 a) 百叶窗式百叶窗式 b) 盒栅式盒栅式 c) 直瓦片式直瓦片式 d) 圆瓦片式圆瓦片式4、电子倍增系统、电子倍增系统倍增极结构形式倍增极结构形式特点特点聚聚焦焦型型直瓦片式直瓦片式极间电子渡越时间散差小，但绝缘支架可能极间电子渡越时间散差小，但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性。积累电荷而影响电子光学系统的稳定性。圆瓦片式圆瓦片式结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。非非聚聚焦焦型型百叶窗式百叶窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成工作面

22、积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间零散较大。时间零散较大。盒栅式盒栅式收集率较高（可达收集率较高（可达95%），结构紧凑，但极），结构紧凑，但极间电子渡越时间零散较大。间电子渡越时间零散较大。5、阳极、阳极阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的二次电子。末一级倍增极发射出来的二次电子。阳极结构示意图阳极结构示意图三、光电

23、倍增管的主要性能参数三、光电倍增管的主要性能参数1.灵敏度灵敏度 倍增管灵敏度有倍增管灵敏度有阴极灵敏度阴极灵敏度与与阳极灵敏阳极灵敏度度之分。每一种灵敏度对于入射光，又都有之分。每一种灵敏度对于入射光，又都有光谱灵敏度（对于单色光）与积分灵敏度光谱灵敏度（对于单色光）与积分灵敏度（对于多色光或全色光）之分。（对于多色光或全色光）之分。1、灵敏度、灵敏度灵敏度灵敏度公式公式说明说明阴极灵敏度阴极灵敏度阴极光谱灵敏度阴极光谱灵敏度RK()=IK/R：灵敏度：灵敏度 ：波长：波长I：光电流：光电流：光通量：光通量下标下标K：阴极：阴极下标下标A：阳极：阳极阴极积分灵敏度阴极积分灵敏度RK=IK/阳

24、极灵敏度阳极灵敏度阳极光谱灵敏度阳极光谱灵敏度RA()=IA/阳极积分灵敏度阳极积分灵敏度RA=IA/2、电流增益、电流增益M阳极电流与阴极电流之比，或阳极灵敏度阳极电流与阴极电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比与阴极灵敏度之比，即，即 M = IA/IK =RA/RK若倍增管有若倍增管有n个倍增极，并且每个倍增极的个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数倍增系数均相等，则均相等，则 Mn 因为因为是电压的函数，所以是电压的函数，所以M也是电压的函也是电压的函数。数。3、暗电流、暗电流 （1）光电阴极和倍增极的热电子发射光电阴极和倍增极的热电子发射。此为。此为主要暗电流。实际使用时尽量降低光电阴极

25、的主要暗电流。实际使用时尽量降低光电阴极的工作温度。工作温度。 （2）极间漏电流极间漏电流 由于各级绝缘强度不够、极间灰尘放电。由于各级绝缘强度不够、极间灰尘放电。 措施：尽量保持各电极间的清洁、干燥。措施：尽量保持各电极间的清洁、干燥。 （3）离子和光的反馈作用）离子和光的反馈作用 受抽真空技术的限制，残余气体与运动受抽真空技术的限制，残余气体与运动电子碰撞电离，电离的电子经放大形成电流。电子碰撞电离，电离的电子经放大形成电流。当离子打到管壁上产生荧光反射到阴极造成当离子打到管壁上产生荧光反射到阴极造成光反馈。光反馈。 措施：采用管外导电层及金属屏蔽罩。措施：采用管外导电层及金属屏蔽罩。 （

26、4）场致发射）场致发射 电极上的尖端、棱角、粗糙边缘在高压电极上的尖端、棱角、粗糙边缘在高压下产生的电子发射。下产生的电子发射。 措施：选择合适的极间电压。措施：选择合适的极间电压。4、噪声、噪声主要有主要有散粒噪声散粒噪声和和负载电阻负载电阻的热噪声。的热噪声。、散粒噪声、散粒噪声 原因原因：光电阴极光电发射的随机性；倍增极：光电阴极光电发射的随机性；倍增极二次电子发射的随机性二次电子发射的随机性 措施：措施：精心设计，正确使用可以消除精心设计，正确使用可以消除、负载电阻的热噪声（主要噪声）、负载电阻的热噪声（主要噪声） 总的噪声电流为：总的噪声电流为：LnTRfkTi421222fMeii

27、knALknTnARfkTfMeiii4122225、NEP（灵敏阈）（灵敏阈）噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）: 表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比等于表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即的有效值。即 IA/InA=1时，时，NEP=InA/RA四四、PMT的光电特性的光电特性光电倍增管的光电倍增管的阳阳极电流极电流IA与与光电光电阴极接收的光通阴极接收的光通量量之间的关系。之间的关系。a、线性范围宽、线性范围宽b、非线性：、非线性：空间电荷效应空间电荷效应倍增极的疲乏倍增极的疲乏负载过大负载过大光电特性光电特性伏安特性伏安特性 （1）工作范围线性好）工作范围线性好 （2）工作范围宽）工作范围宽饱和区的直线范围是饱和区的直线范围是PMT质量优劣的重要标志质量优劣的重要标志时间特性及频率特性时间特性及频率特性a a、时间特性、时间特性（1）渡越时间）渡越时间（2）上升时间）上升时间tr（3）脉冲宽度）脉冲宽度 输出电流脉冲的半输出电流脉冲的半幅值之间的时间宽度幅值之间的时间宽度（4）渡越时间散差）渡越时间散差21ttt