S2光电探测器件03PPT课件

1、1外光电效应型探测器 32 光电探测器件第2页/共53页第1页/共53页22.3 外光电效应型探测器 2.3.1 光电阴极 2.3.2 真空光电管 2.3.3 充气光电管 2.3.4 光电倍增管 2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器)第3页/共53页第2页/共53页32.3.1 光电阴极 光电发射体：能够产生光电发射效应的物体 光电发射体在光电器件中常作为阴极，即光电阴极 光电阴极主要参数1 灵敏度 光照灵敏度：在一定的白光(色温2856K的钨丝灯)照射下，光电阴极光电流与入射的白光光通量之比，称白光灵敏度或积分灵敏度。 色光灵敏度：在局部波长范围的积分灵敏度，表示在某些特定波长区域，阴极光

2、电流与入射光的白光光通量之比。可以采用插入不同的滤光片来获得不同的光谱范围。 光谱灵敏度：确定波长的单色光照射时，阴极光电流与入射的单色辐射通量之比第4页/共53页第3页/共53页42.3.1 光电阴极 光电阴极主要参数2 量子效率QienR hcne3 光谱响应曲线表征光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射波长的关系4 热电子发射光电阴极中有一些电子的热能有可能大于光电阴极逸出功，产生热电子发射第5页/共53页第4页/共53页52.3.1 光电阴极 光电阴极的分类第6页/共53页第5页/共53页62.3.1 光电阴极 常用光电阴极材料1 Ag-O-Cs 银氧铯2 单碱锑化物3 多碱锑化物正电子

3、亲和势(PEA)类型4 负电子亲和势光电阴极(NEA)电子亲和势指的是半导体导带底部到真空能级间的能量值，它表征材料在发生光电效应时，电子逸出材料的难易程度。电子亲和势越小，就越容易逸出。如果电子亲 和势为零或负值，则意味着电子处于随时可以脱离的状态，用电子亲和势为负值的材料制作的光电阴极，由光子激发出的电子只要能扩散到表面就能逸出，因此灵敏度极高。 第7页/共53页第6页/共53页72.3.1 光电阴极 常用光电阴极材料4 负电子亲和势光电阴极(NEA)(1) 量子效率高第8页/共53页第7页/共53页82.3.1 光电阴极 常用光电阴极材料4 负电子亲和势光电阴极(NEA)(2) 光谱响应

4、率均匀，光谱响应向红外延伸PEA的阈值波长1.24cgAEENEA的阈值波长1.24cgE(3) 热电子发射小与光谱响应范围相同的正电子亲和势的光电发射材料相比，负电子亲和势材料的禁带宽度更宽，因而热电子不容易发射(4) 光电子能量集中第9页/共53页第8页/共53页92.3.2 真空光电管高压直流放大阴极R-+光束e阳极丝抽真空真空光电管（又称电子光电管）由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光电效应，光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下，光电子在极间作加速运动,最后被高电位的阳极接收,在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵

5、敏度等因素。第10页/共53页第9页/共53页102.3.2 真空光电管中心阴极型：透明窗镀导电膜，阴极面积小，光照效率低。中心对称性好，电子运动的距离相同，运动一致性好，测量光电子的速度分布。 第11页/共53页第10页/共53页112.3.2 真空光电管 中心阳极型：阴极为半球面结构，中心阳极收集电子。光照面积大，空间电场分布均匀对称，电子运动路径相同，极间电容小，电子渡越时间一致性好，高频特性好。缺点是光电子接收特性差,需要较高的阳极电压第12页/共53页第11页/共53页122.3.2 真空光电管半圆柱阴极型：收光面积大，极间电场均匀性好，电子路径一致性好。这种结构有利于增加极间绝缘性

6、能和减少漏电流第13页/共53页第12页/共53页132.3.1 真空光电管 平行平板型：收光面积大，极间电场均匀性好，光电子从阴极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹。电子路径一致性好。极间电容大，时间响应特性不好。电流信号转变成电压信号，探测器形成电容，影响电信号的输出特性。 第14页/共53页第13页/共53页142.3.1 真空光电管 主要参数 光照特性阳极电压U不变，辐射光谱特性给定，输出电流I与光辐射功率P的关系。P P太小时太小时：暗电流与信号电流可比，测量输出信噪比明显下降。P P太大时太大时：光电子补充困难，电子发射率降低，大电流状态下输入输出偏离线性响应，输出电流趋于饱和。电流

7、过大，阳极层间电压下降增大，影响阳极的电荷接收率。 第15页/共53页第14页/共53页152.3.2 真空光电管 主要参数 光谱特性光辐射功率P、阳极电压U不变，输出电流I与辐射光谱的关系。 第16页/共53页第15页/共53页162.3.2 真空光电管 主要参数 伏安特性给定辐射光谱、功率，输出电流I与阳极电压V的关系。 不同的电极结构，有不同的饱和光电流。 对同一光电管，饱和光电流随入射光通量的增加而增大 对于不同入射波长的光，即使光通量相同，饱和电流也不同。第17页/共53页第16页/共53页172.3.2 真空光电管 主要参数 时间（频率）特性 输出信号电压 21aLLLI RuCR

8、1cLCR20.707LLuu一般规定， 下降到Lu频率 为探测器的截止响应频率和响应频率。c12cLfCR第18页/共53页第17页/共53页182.3.2 真空光电管 主要参数 稳定性时间稳定性疲劳：长时间连续使用时灵敏度下降；强光作用灵敏度下降。黑暗中久置，在一定程度上能够恢复。衰老：阴极材料分解。真空程度下降，气壁上气体释放。 温度稳定性 稳定。 产生不可逆转的衰老 阴极面层电阻增大，灵敏度下降 o1045 Co100150 Co50 C第19页/共53页第18页/共53页192.3.3 充气光电管 充气光电管（又称离子光电管）由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。常用的电极结构有中心阴

9、极型、半圆柱阴极型和平板阴极型。充气光电管最大缺点是在工作过程中灵敏度衰退很快，其原因是正离子轰击阴极而使发射层的结构破坏。第20页/共53页第19页/共53页202.3.3 充气光电管充气光电管按管内充气不同可分为单纯气体型和混合气体型。 单纯气体型：这种类型的光电管多数充氩气，优点是氩原子量小，电离电位低，管子的工作电压不高。有些管内充纯氦或纯氖，使工作电压提高。 混合气体型：常选氩氖混合气体，其中氩占10左右。 第21页/共53页第20页/共53页212.3.3 充气光电管 主要参数 光电特性 不存在稳定的线性工作区。阳极电压U越大，输出电流I越大；气压P越大，输出电流I越大。 第22页

10、/共53页第21页/共53页222.3.3 充气光电管 主要参数 伏安特性不存在光电流饱和现象 第23页/共53页第22页/共53页232.3.3 充气光电管 主要参数 时间（频率）特性 离子质量远远大于电子质量，平均速度远小于电子平均速度，极间渡越时间大大加长。时间特性明显变坏。 暗电流 电离的涨落明显增强，没有辐射也可能引起输出脉冲。 第24页/共53页第23页/共53页242.3.4 光电倍增管 光电倍增管是基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。第25页/共53页第24页/共53页252.3.4

11、 光电倍增管 光电倍增管主要部件v 入射窗口v 光电阴极v 电子光学系统v 电子倍增系统v 阳极第26页/共53页第25页/共53页262.3.4 光电倍增管 入射窗口侧窗式：通过管壳的侧面接收入射光，一般使用反射式光电阴极，大多采用鼠笼式倍增级结构。端窗式：从玻壳顶部接收入射光，采用透射式光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面。第27页/共53页第26页/共53页272.3.4 光电倍增管 电子光学系统电子光学系统指阴极到倍增系统第一倍增级之间的电极空间，包括光电阴极、聚焦级、加速级和第一倍增级 使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇集到第一倍增级上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪

12、比。 使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越时间尽可能相等，保证光电倍增管的快速响应。第28页/共53页第27页/共53页282.3.4 光电倍增管 电子倍增系统电子倍增系统是由许多倍增级组成的综合体，每个倍增级都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。二次发射系数21NN倍增级材料1）Ag-O-Cs CsSb2）氧化物型3）合金型4）负电子亲合势材料第29页/共53页第28页/共53页292.3.4 光电倍增管 电子倍增系统侧窗聚焦型直接定向线性聚焦型a 鼠笼式第30页/共53页第29页/共53页302.3.4 光电倍增管b 盒栅式c 直线聚焦式 电子倍增系统第31页/共

13、53页第30页/共53页312.3.4 光电倍增管 电子倍增系统d 百叶窗式e 近贴栅网式f 微通道板式第32页/共53页第31页/共53页322.3.4 光电倍增管 电子倍增系统上升时间/ns均匀性收集率特点鼠笼式0.9-3.0差好结构紧凑，高速盒栅式6-20好极好高收集率直线聚焦式0.7-3.0差好高速、线性好百叶窗式6-18好差适合于大直径管近贴栅网式1.5-5.5好差线性好，抗磁微通道板式0.1-0.3好差超高速，抗磁6种端窗式PMT的倍增极结构比较第33页/共53页第32页/共53页332.3.4 光电倍增管 阳极阳极：输出最终的倍增电子流。第34页/共53页第33页/共53页342

14、.3.4 光电倍增管第35页/共53页第34页/共53页352.3.4 光电倍增管 主要参数 灵敏度1）光谱响应阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口材料性质阳极的光谱灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数之积2）阴极灵敏度kkSI3）阳极光照灵敏度ppSI第36页/共53页第35页/共53页362.3.4 光电倍增管 主要参数kCU光电倍增管的二次电子发射系数是倍增极间电压的函数由光电阴极发射的光电流撞击第一倍增级后，产生二次发射电流，其二次电子发射系数为11dkII第N级的二次电子发射系数为(1)NdNd NII阳极输出电流为12pkNII 增益第37页/共53页第36页/共53页3

15、72.3.4 光电倍增管 主要参数 光电倍增管的放大倍数为pNkIGIv 若倍增管各级分压均匀，级间电压相等，则放大倍数与所加电压关系为1kNNkNkNdUGCUCAUN 增益第38页/共53页第37页/共53页382.3.4 光电倍增管 主要参数注意，G与所加电压有关，一般在 之间。如果电压波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统汁涨落。所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。581010 增益第39页/共53页第38页/共53页392.3.4 光电倍增管 主要参数 暗电流 在施加规定电压后，在无光照情况下的阳极电流 决定PMT的极限灵敏度v 热电子发射v 极间欧姆漏电v

16、 残余气体及场致发射第40页/共53页第39页/共53页402.3.4 光电倍增管 主要参数 暗电流在低电压下，暗电流由漏电流决定；电压较高时。主要是热电子发射；电压再大，则导致场致发射和残余气体离子发射，暗电流急剧增加第41页/共53页第40页/共53页412.3.4 光电倍增管 主要参数 噪声 PMT的噪声主要有光电器件本身的散粒噪声和热噪声、负载电阻的热噪声、光电阴极和倍增发射时的闪烁噪声v 减少噪声和暗电流的有效方法是致冷 伏安特性v 阴极伏安特性v 入射光通量一定时，阴极光电流与阴极和第一倍增级之间的电压v 阳极伏安特性v 入射光通量一定时，阳极光电流与阳极和最后一级倍增极之间的电压

17、第42页/共53页第41页/共53页422.3.5 微光通道板(通道电子倍增器) 微光通道板 由大量平行堆积的微通道电子倍增器组成的薄板 微通道是一块通道内壁具有良好二次发射性能（3）和导电性能的微细玻璃纤维，孔径为6-45m，长度为0.6-1.6mm第43页/共53页第42页/共53页432.3.5 微光通道板(通道电子倍增器) 工作时管子两端加直流电压，管内建立均匀电场。v 入射电子进入CEM低电位端后和管壁表面相撞并发射出二次电子。v 二次电子被管内电场沿轴向加速，获得足够高的能量后又与管壁相撞并产生更多的二次电子。最终在高电位端输出增益达 的电子束。810第44页/共53页第43页/共

18、53页442.3.5 微光通道板(通道电子倍增器) 微通道板必须工作在高真空的条件下。 电子在倍增过程中走的路程很短，仅几毫米,飞行时间只有1纳秒左右,飞行时间涨落则更小，从而有可能成为皮秒级的光电转换，电子倍增器件中的重要组成部分。第45页/共53页第44页/共53页452.3.5 微光通道板(通道电子倍增器)增益特性、电流传递特性、噪声特性增益：输出电流与输入电流之比。inoutIIG 2042204vUkUGv材料常数k（决定二次发射系数）、通道电压U 、发射初电位v0、结构参数管道长径比第46页/共53页第45页/共53页462.3.5 微光通道板(通道电子倍增器)2042204vUk

19、UGv增益：输出电流与输入电流之比。增益与通道绝对尺寸无关微通道板长径比的最佳值04kUev最大增益 maxkUeGe第47页/共53页第46页/共53页472.3.5 微光通道板(通道电子倍增器) 电流传递特性微通道板的自饱和效应：当输入电流大到一定程度时，输出电流出现饱和现象。自饱和效应使像管具有防强光的特性，因强光产生的光电流受微通道板饱和电流的限制而不会输出过高的电流。第48页/共53页第47页/共53页482.3.5 微光通道板(通道电子倍增器) 电流传递特性1 通道壁的电阻效应微通道板施加工作电压U，在通道壁上产生传导电流0pIU R由于通道内壁发射二次电子，产生局部附加电流，Is(x)，其方向与传导电流相反，是通道轴向坐标x的函数，在输入端最小，随倍增级数增加而变大，在输出端达到最大。微通道板在工作状态，通道板内电流为( )( )cpsIxIIx第49页/共53页第48页/共53页492.3.5 微光通道板(通道电子倍增器)