第4章真空光电器件

1、第四章第四章 真空光电器件真空光电器件光电子技术教研室光电子技术教研室 真空光电探测器包括光电管和光电倍增管，真空光电探测器包括光电管和光电倍增管，是根据外光电效应原理工作的光电探测器，是根据外光电效应原理工作的光电探测器，利用光电阴极在光辐射作用下，向真空中发利用光电阴极在光辐射作用下，向真空中发射电子，收集这些电子来探测各种光信号。射电子，收集这些电子来探测各种光信号。但由于光电子发射属于外光电效应，它只适但由于光电子发射属于外光电效应，它只适用于测量近紫外、可见和近红外波段的各种用于测量近紫外、可见和近红外波段的各种光信号。光信号。 真空光电器件有突出的优点：易于在管内真空光电器件有突出

2、的优点：易于在管内实现快速、高增益、低噪声的电子倍增易于实现快速、高增益、低噪声的电子倍增易于制取大面积的均匀的光敏面，像元密度大。制取大面积的均匀的光敏面，像元密度大。可得到很高的空间分辨率，因而广泛用于探可得到很高的空间分辨率，因而广泛用于探测微弱的光辐射，变化极快的光辐射及要求测微弱的光辐射，变化极快的光辐射及要求获得空间分辨率很高的精密测量和光电成像。获得空间分辨率很高的精密测量和光电成像。 4.1 光电发射阴极 光电发射阴极是光电发射器件的重要部件，它光电发射阴极是光电发射器件的重要部件，它是吸收光子能量发射光电子是吸收光子能量发射光电子 的部件，其好坏直接的部件，其好坏直接影响整个

3、光电发射器件的性能。影响整个光电发射器件的性能。 随着光电器件的发展，特别是微光夜视器件的随着光电器件的发展，特别是微光夜视器件的发展，要求在可见光、近红外、红外范围内具有较发展，要求在可见光、近红外、红外范围内具有较高量子效率的光电发射材料，从而研制出了目前广高量子效率的光电发射材料，从而研制出了目前广泛应用的各种实用光电阴极及半导体阴极。泛应用的各种实用光电阴极及半导体阴极。 一、光电阴极的主要特性参数特性参数包括：灵敏度，量子效率，光谱效应，暗特性参数包括：灵敏度，量子效率，光谱效应，暗电流等。电流等。1 1、灵敏度、灵敏度分类：光照灵敏度，色光灵敏度，光谱灵敏度。分类：光照灵敏度，色光

4、灵敏度，光谱灵敏度。（1 1）光照灵敏度：表示光电阴极在一定的白光照射）光照灵敏度：表示光电阴极在一定的白光照射下，阴极光电流与入射的光通量之比。下，阴极光电流与入射的光通量之比。780380vkvdIS,（2 2）色光灵敏度：局部光谱区域的积分灵）色光灵敏度：局部光谱区域的积分灵敏度。它表示在某些特定的波长区，通敏度。它表示在某些特定的波长区，通常用特性已知的滤光片插入光路然后测常用特性已知的滤光片插入光路然后测得的光电流与未插入滤光片时阴极所受得的光电流与未插入滤光片时阴极所受光照的光通量之比。光照的光通量之比。（3 3）光谱灵敏度：表示一定波长的单色辐）光谱灵敏度：表示一定波长的单色辐射

5、照到光电阴极上，阴极光电流与入射射照到光电阴极上，阴极光电流与入射的单色辐射通量之比。的单色辐射通量之比。2 2、量子效率、量子效率 表示一定波长的光子入射到光电阴极时，表示一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴极所发射的光电子数与入射的光子数之该阴极所发射的光电子数与入射的光子数之比。比。 其实，量子效率和光谱灵敏度是同一个其实，量子效率和光谱灵敏度是同一个物理量的两种表达方法。物理量的两种表达方法。3 3、光谱响应曲线、光谱响应曲线 光电阴极的光谱灵敏度或者量子效率与入光电阴极的光谱灵敏度或者量子效率与入射辐射波长的关系曲线，称为光谱相应曲线。射辐射波长的关系曲线，称为光谱相应曲线。4 4、

6、热电子发射、热电子发射 光电阴极中有少数电子的热能大于光电阴光电阴极中有少数电子的热能大于光电阴极逸出功，因而产生热电子发射。极逸出功，因而产生热电子发射。几种光电阴极几种光电阴极一、银氧铯一、银氧铯(Ag-O-Cs)(Ag-O-Cs)光电阴极光电阴极 19291929年出现年出现Ag-O-CsAg-O-Cs光电阴极，近红外光光电阴极，近红外光灵敏，灵敏，19341934年的第一只红外变象管就使用了年的第一只红外变象管就使用了Ag-O-CsAg-O-Cs，量子效率太低，量子效率太低，1%1%，在二战及，在二战及朝鲜战场上使用过。朝鲜战场上使用过。 它对可见光和近红外灵敏，早期在红外变它对可见光

7、和近红外灵敏，早期在红外变象管中得到应用，在实用光电阴极中用于红象管中得到应用，在实用光电阴极中用于红外探测。外探测。1 1、结构、结构以以AgAg为基底，氧化银为中间层，上面再带有过为基底，氧化银为中间层，上面再带有过剩剩CsCs原子及原子及AgAg原子的氧化铯，而表面由原子的氧化铯，而表面由CsCs原原子组成。子组成。从光谱响应曲线可看出，它有两个峰值，一个从光谱响应曲线可看出，它有两个峰值，一个在紫外区，短波处略小于在紫外区，短波处略小于40004000埃处，一个在埃处，一个在红外区，红外区，80008000埃左右，它在整个可见光及近埃左右，它在整个可见光及近红外都灵敏，阈波长可达红外都

8、灵敏，阈波长可达1.21.2m m。 光谱响应极大值处的量子效率不超过光谱响应极大值处的量子效率不超过1%1%，它的，它的积分灵敏度，对透射型的半透明阴极来说，一般积分灵敏度，对透射型的半透明阴极来说，一般为为30306060A/lmA/lm。 Ag-O-CsAg-O-Cs阴极还有两个明显的缺点：在室温下阴极还有两个明显的缺点：在室温下热电子发射较大，典型值在热电子发射较大，典型值在1010-11-111010-14-14A/cmA/cm2 2的范围的范围内，容易疲乏，光强愈强，疲乏愈厉害；光波愈内，容易疲乏，光强愈强，疲乏愈厉害；光波愈短，疲乏愈严重，对红外线几乎观察不到疲乏；短，疲乏愈严重

9、，对红外线几乎观察不到疲乏；阳极电压增高，疲乏增大；温度降低，疲乏增大。阳极电压增高，疲乏增大；温度降低，疲乏增大。二、锑铯光阴极二、锑铯光阴极 自自19361936年年GlichGlich首先发现了锑铯光电阴极首先发现了锑铯光电阴极以来，已有以来，已有5050多年的历史。由于这种光阴极多年的历史。由于这种光阴极的工艺和理论比较成熟，所以光电管、光电的工艺和理论比较成熟，所以光电管、光电倍增管中长期以来选用这种光电阴极。锑铯倍增管中长期以来选用这种光电阴极。锑铯光电阴极的光谱响应在可见光区，光谱峰值光电阴极的光谱响应在可见光区，光谱峰值在蓝光附近，阈波长截止于红光，其短波部在蓝光附近，阈波长截

10、止于红光，其短波部分的光谱响应可达到分的光谱响应可达到105nm105nm的紫外区的紫外区。 它的灵敏度高比它的灵敏度高比Ag-O-CsAg-O-Cs高得多，积分高得多，积分灵敏度为灵敏度为100100150150A/lmA/lm，量子效率可达，量子效率可达202030%30%。暗电流。暗电流( (约约10-16A/cm2)10-16A/cm2)和疲乏效应和疲乏效应都比都比Ag-O-CsAg-O-Cs阴极小。制备工艺比较简单，阴极小。制备工艺比较简单，仅由仅由CsCs和和SbSb两种元素组成，所以两种元素组成，所以Sb-CsSb-Cs光电光电阴极是目前理论和工艺方面最成熟的一种光阴极是目前理论

11、和工艺方面最成熟的一种光电阴极。电阴极。三、多碱光电阴极三、多碱光电阴极 锑铯光电阴极是锑与一种碱金属的化合锑铯光电阴极是锑与一种碱金属的化合物，也可称为单碱光电阴极。物，也可称为单碱光电阴极。 当锑与几种碱金属形成化合物时，发当锑与几种碱金属形成化合物时，发现它具有比锑铯阴极更高的光电灵敏度，现它具有比锑铯阴极更高的光电灵敏度，其中有双碱其中有双碱( (如如Sb-K-Cs, Sb-Rb-CsSb-K-Cs, Sb-Rb-Cs等等) )，三碱的三碱的( (如如Sb-Na-K-Cs)Sb-Na-K-Cs)和四碱和四碱( (如如Sb-K-Sb-K-Nb-Rb-Cs)Nb-Rb-Cs)等，二、三碱、

12、四碱光电阴极等，二、三碱、四碱光电阴极统称为多碱光电阴极。统称为多碱光电阴极。 (Cs)Na (Cs)Na2 2KSbKSb光电阴极为三种光电阴极最使光电阴极为三种光电阴极最使用的一种。量子产额一般为用的一种。量子产额一般为10%10%左右，最大可左右，最大可达达20%20%，长波阈延伸到，长波阈延伸到0.93m0.93m，峰值位置在，峰值位置在42004200埃，积分灵敏度埃，积分灵敏度150A150A300A/lm300A/lm，灵敏度重复性好，暗电流灵敏度重复性好，暗电流3 31010-16-16A/cm2A/cm2。四、负电子亲和势光电阴极四、负电子亲和势光电阴极 前面的几种光电阴极都

13、属于正电子亲和势前面的几种光电阴极都属于正电子亲和势类型，原因：表面的真空能级位于导带之上。类型，原因：表面的真空能级位于导带之上。 如果给半导体的表面做特殊处理，使表如果给半导体的表面做特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经过这种从而使有效的电子亲和势为负值，经过这种特殊处理的阴极为负电子亲和势光电阴极特殊处理的阴极为负电子亲和势光电阴极（NEANEA），）， 1965 1965年年J.J.ScheerJ.J.Scheer等用等用CsCs（铯）吸附在（铯）吸附在P P型型GaAsGaAs表面得到了零电子亲和势

14、，后来，表面得到了零电子亲和势，后来，又有人用又有人用CsOCsO在在GaAsGaAs上得到了负电子亲和势上得到了负电子亲和势光电发射体，其白光灵敏度比当时任何光光电发射体，其白光灵敏度比当时任何光电发射材料都高，从此开始了用电发射材料都高，从此开始了用CsCs或或CsOCsO激激活活III-VIII-V族化合物而得到一系列负电子亲和族化合物而得到一系列负电子亲和势光电阴极的新时期。势光电阴极的新时期。 制造制造NEANEA光电阴极。在光电阴极。在P P型型GaAsGaAs表面上蒸积表面上蒸积单分子层单分子层CsCs，然后交替蒸，然后交替蒸O O和和CsCs，形成，形成CsCs2 2O O层。

15、层。GaAsGaAs的逸出功的逸出功4.7eV4.7eV，禁带宽度，禁带宽度1.4eV1.4eV，CsCs2 2O O是一种是一种n n型半导体，它的禁带宽度约为型半导体，它的禁带宽度约为2eV2eV，逸出功是逸出功是0.6eV0.6eV，电子亲和势为，电子亲和势为0.4eV0.4eV。负电子亲和势光电阴极与前面几种正电子亲负电子亲和势光电阴极与前面几种正电子亲和势相比的特点：和势相比的特点：1 1、量子效率高、量子效率高2 2、光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀。、光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀。3 3、热电子发射小。、热电子发射小。4 4、光电子的能量集中。、光电子的能量集中。4.2

16、光电管光电倍增管 光电管与光电倍增管是根据光电管与光电倍增管是根据外光电效应外光电效应原理原理工作的光电探测器。它利用光阴极在光辐射工作的光电探测器。它利用光阴极在光辐射作用下向真空中发射光电子的效应探测各种作用下向真空中发射光电子的效应探测各种光信号。光信号。 因此，这种光电探测器是一个真空光电器件。因此，这种光电探测器是一个真空光电器件。真空光电器件可以是成像型的，也可以是非真空光电器件可以是成像型的，也可以是非成像型的，其基本原理相同。因此有类似的成像型的，其基本原理相同。因此有类似的结构，即它们都要有结构，即它们都要有光电阴极，阳极，真空光电阴极，阳极，真空玻壳。玻壳。一、光电管一、光

17、电管（1 1）真空光电管：）真空光电管：按照探测的辐射光波段可分为对紫外线灵敏、按照探测的辐射光波段可分为对紫外线灵敏、对可见光灵敏与对红外线灵敏三种；对可见光灵敏与对红外线灵敏三种；（2 2）按光电阴极材料可分为锑铯型，银氧铯型）按光电阴极材料可分为锑铯型，银氧铯型和锑钾钠铯型等；和锑钾钠铯型等；（3 3）接受光的方式可分为正面受光型与背面受）接受光的方式可分为正面受光型与背面受光型两种。正面受光是指入射光线的方向与光型两种。正面受光是指入射光线的方向与发射电子的方向相反，背面受光则指入射光发射电子的方向相反，背面受光则指入射光线的方向与发射电子的方向一致。线的方向与发射电子的方向一致。故前

18、者采用不透明的反射式阴极，后者采用半故前者采用不透明的反射式阴极，后者采用半透明的透射式阴极透明的透射式阴极 。 （4 4）组成：光电阴极）组成：光电阴极K K、收集电子的阳极、收集电子的阳极A A、玻璃窗、外壳及相应的电极和管脚。玻璃窗、外壳及相应的电极和管脚。（5 5）原理：当入射光线透过窗口照射到光电）原理：当入射光线透过窗口照射到光电阴极上时，根据外光电效应，光电子就从光阴极上时，根据外光电效应，光电子就从光电阴极发射电子到真空中去，在电场的作用电阴极发射电子到真空中去，在电场的作用下，阳极加正电压，光电子在两电极间作加下，阳极加正电压，光电子在两电极间作加速运动，光电子被具有较高电位

19、的阳极所接速运动，光电子被具有较高电位的阳极所接收，在阳极回路中可以测出光电流的数值收，在阳极回路中可以测出光电流的数值i i，i i取决于光照和光照灵敏度，如光照停止，那取决于光照和光照灵敏度，如光照停止，那么阳极电路中也无电流输出，光电管是一种么阳极电路中也无电流输出，光电管是一种能把光能转变为电能的光电器件。能把光能转变为电能的光电器件。（a）真空光电管 （b）中心阴极型 （c）半圆柱面阴极光电管 在充气光电管中，光照产生的光电子在在充气光电管中，光照产生的光电子在电场的作用下向阳极运动，由于途中与气体电场的作用下向阳极运动，由于途中与气体原子碰撞而发生电离现象，由电离过程产生原子碰撞而

20、发生电离现象，由电离过程产生新的电子与光电子一起都被阳极接收，正离新的电子与光电子一起都被阳极接收，正离子向反方向运动被阴极接收，因此在阴极电子向反方向运动被阴极接收，因此在阴极电路内形成有数倍于真空光电管的光电流。路内形成有数倍于真空光电管的光电流。 二、光电倍增管二、光电倍增管1 1、结构：光入射窗口、光电阴极、电子光学系、结构：光入射窗口、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成。统、倍增极和阳极组成。2 2、原理：、原理：光子透过入射窗口入射在光电阳极光子透过入射窗口入射在光电阳极K K上；上；光电阴极的电子受光子激发，离开表光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中；面发射到真空

21、中；光电子通过电场加速和光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1D1上，上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经电子。入射电子经N N级倍增极倍增后，光电子级倍增极倍增后，光电子就放大贝次。就放大贝次。经过倍增后的二次电子由阳经过倍增后的二次电子由阳极极P P收集起来，形成阳极光电流，在负载上产收集起来，形成阳极光电流，在负载上产生信号电压。生信号电压。倍增极之间电阻的作用倍增极之间电阻的作用 为了使光电子能有效地被各个电极收为了使光电子能有效地被各个电极收集并通过各倍增板倍增，阴极与第一倍

22、增集并通过各倍增板倍增，阴极与第一倍增板、各倍增极之间以及末级倍增极与阳极板、各倍增极之间以及末级倍增极与阳极之间都必须施加一定的电压。这样二次电之间都必须施加一定的电压。这样二次电子又被加速聚焦到较高电位的子又被加速聚焦到较高电位的D2D2上，并获上，并获得进一步倍增。得进一步倍增。3 3、入射窗口和光电阴极结构、入射窗口和光电阴极结构（1 1）入射窗口和光电阴极结构）入射窗口和光电阴极结构A A、侧窗型光电倍增管是通过管壳的侧面接收入、侧窗型光电倍增管是通过管壳的侧面接收入射光，侧窗型光电倍增管一般使用反射式光射光，侧窗型光电倍增管一般使用反射式光电阴极，而且大多数采用鼠笼式倍增极结构电阴

23、极，而且大多数采用鼠笼式倍增极结构（反射式光电阴极）（反射式光电阴极）B B、而端窗式光电倍增管是通过管壳的端面接、而端窗式光电倍增管是通过管壳的端面接收入射光，通常使用半透明光电阴极，光电收入射光，通常使用半透明光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面，一般半透阴极材料沉积在入射窗的内侧面，一般半透明光电阴极的灵敏度均匀性比反射式阴极好，明光电阴极的灵敏度均匀性比反射式阴极好，而且阴极面可以做成各种大小。而且阴极面可以做成各种大小。C C、窗口材料、窗口材料(1)(1)硼硅玻璃硼硅玻璃(2)(2)透紫外玻璃透紫外玻璃 (3)(3)熔融石英熔融石英( (熔熔融二氧化硅融二氧化硅) (4) (

24、4)蓝宝石蓝宝石(5)MgF(5)MgF2 2 光电倍增管的光谱响应特性主要由窗口光电倍增管的光谱响应特性主要由窗口材料和光电阴极材料决定，因此在使用时材料和光电阴极材料决定，因此在使用时应根据窗口和阴极材料的待性，选择相应应根据窗口和阴极材料的待性，选择相应的管子。的管子。（2 2）电子光学系统）电子光学系统 电子光学系统主要有两方面的作用，一、电子光学系统主要有两方面的作用，一、使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其它部分的杂散热电子第一倍增极上，而将其它部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比。散射掉，提高信噪比。 二、是使阴极面上各处

25、发射的光电子在电子二、是使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中涩越的时间尽可能相等，以保证光学系统中涩越的时间尽可能相等，以保证光电倍增管的快速响应。光电倍增管的快速响应。3 3电子倍增极电子倍增极1)1)二次电子发射二次电子发射 具有足够动能的电子轰击某些材料时，具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子，这种现象称为二材料表面将发射新的电子，这种现象称为二次电子。轰击材料的入射电子称为一次电子，次电子。轰击材料的入射电子称为一次电子，从材料表面发射出的电子称为二次电子。从材料表面发射出的电子称为二次电子。 不同材料的二次电子发射能力是不一样不同材料的二次电子发射能力是不一

26、样的。为表征材料的这种能力，通常把二次发的。为表征材料的这种能力，通常把二次发射的电子数射的电子数N2N2与入射的一次电子数与入射的一次电子数N1N1的比值的比值定义为该材料的二次发射系数。定义为该材料的二次发射系数。 二次发射过程可以分三步来描述：二次发射过程可以分三步来描述： 材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些被激电子称为内二次电子。高能态，这些被激电子称为内二次电子。 内二次电子中初速指向表面的那一部分向表内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动，在运动过程中因散射而损失能量；面运动，在运动过程中因散射而损失能量； 如果到达界面的

27、内二次电子仍有足以克服表如果到达界面的内二次电子仍有足以克服表面势垒的能量，即逸出表面成为二次电子。面势垒的能量，即逸出表面成为二次电子。光电倍增管中的二次电子发射材料要求：光电倍增管中的二次电子发射材料要求：在低的工作电压下具有大的二发射系数值；在低的工作电压下具有大的二发射系数值；热电子发射小，热电子发射小，在较高温度和较大的一次电子密度条件下，在较高温度和较大的一次电子密度条件下，发射系数保持稳定。发射系数保持稳定。常用的倍增极材料有：常用的倍增极材料有：复杂的半导体型复杂的半导体型合金型合金型负电子亲和势型负电子亲和势型 (2) (2)倍增极结构倍增极结构 根据电子轨迹的型式可分为两大

28、类，即聚根据电子轨迹的型式可分为两大类，即聚焦型和非聚焦型。焦型和非聚焦型。 凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚在下一倍增极上，在两个倍增极之间可能发生在下一倍增极上，在两个倍增极之间可能发生电子束交叉的结构休为聚焦型。电子束交叉的结构休为聚焦型。 非聚焦型形成的电场只能使电子加速，电非聚焦型形成的电场只能使电子加速，电子轨迹都是平行的。子轨迹都是平行的。 根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管分成六种形式，分成六种形式，鼠笼式：适宜与光谱仪器的狭缝匹配，特点鼠笼式：适宜与光谱仪器的狭缝匹配，特点是结构紧凑，时间响

29、应快是结构紧凑，时间响应快直线聚焦式：是一种聚焦式结构，用于端窗直线聚焦式：是一种聚焦式结构，用于端窗式光电倍增管，特点是时间响应很快，线性式光电倍增管，特点是时间响应很快，线性好。好。盒栅式：用于端窗式光电倍增管。其主要特盒栅式：用于端窗式光电倍增管。其主要特点是均匀性和稳定性较好，但时间响应稍慢点是均匀性和稳定性较好，但时间响应稍慢一些。一些。百叶窗式：百叶窗式：可以做成探测微弱光辐射的大型可以做成探测微弱光辐射的大型光电倍增管。管子的均匀性好，输出电流大光电倍增管。管子的均匀性好，输出电流大并且稳定。主要缺点是某些一次电子可能未并且稳定。主要缺点是某些一次电子可能未经倍增，直接穿过倍增极

30、打到下一级的倍增经倍增，直接穿过倍增极打到下一级的倍增极上，使电于渡越时间的离散性增加。因此极上，使电于渡越时间的离散性增加。因此响应时间较慢。响应时间较慢。近贴栅网式：近贴栅网式：具有极好的均匀性和脉冲线性，具有极好的均匀性和脉冲线性，抗磁场影响能力强。抗磁场影响能力强。微通道板式：微通道板式：响应速度极快，抗磁场干扰能响应速度极快，抗磁场干扰能力强、线性好。力强、线性好。 4 4阳极阳极它的作用是接收从末级倍增极发射出的二次它的作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输出电流。对于阳极电子，通过引线向外输出电流。对于阳极的结构要求的结构要求具有较高的电子收集率具有较高的电子收集

31、率，能承，能承受较大的电流密度，并且在阳极附近的空受较大的电流密度，并且在阳极附近的空间不致产生空间电荷效应。此外，阳极的间不致产生空间电荷效应。此外，阳极的输出电容输出电容要小，即阳极与末级倍增极及与要小，即阳极与末级倍增极及与其它倍增极间的电容要很小因此目前阳其它倍增极间的电容要很小因此目前阳极广泛采用栅网状结构。极广泛采用栅网状结构。4-3 光电倍增管的特性参数一、灵敏度一、灵敏度 包括光谱响应、阴极光照灵敏度和阳极灵敏度。包括光谱响应、阴极光照灵敏度和阳极灵敏度。 1 1、光谱响应、光谱响应 阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材料性质。阳极的光

32、谱灵敏度等于阴极的光谱材料性质。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的乘积。灵敏度与光电倍增管放大系数的乘积。2 2阴极光照灵敏度阴极光照灵敏度若入射到光电阴极面上的光通量为若入射到光电阴极面上的光通量为，阴，阴极输出的光电流为极输出的光电流为I Ik k，那么阴极的光照，那么阴极的光照灵敏度为：灵敏度为： Sk Ik/3 3阳极灵敏度阳极灵敏度定义为：当光电倍增管加上稳定的电源电定义为：当光电倍增管加上稳定的电源电压，并工作在线性放大区域时，阳极输压，并工作在线性放大区域时，阳极输出电流出电流IAIA与入射在阴极面上的光通量的与入射在阴极面上的光通量的比值。比值。 KAA

33、IR二、放大倍数二、放大倍数在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极信号电流信号电流I Ip p与阴极信号电流与阴极信号电流I Ik k的比值，称的比值，称作放大倍数作放大倍数M M，也称电流增益。，也称电流增益。M MI Ip p/I/Ik k 三、暗电流三、暗电流定义：当光电倍增管完全与光照隔绝，在加上定义：当光电倍增管完全与光照隔绝，在加上工作电压后阳极仍有电流输出，输出电流的工作电压后阳极仍有电流输出，输出电流的直流部分称为该管的暗电流，即由非光照因直流部分称为该管的暗电流，即由非光照因素引起的一切电流称为暗电流。素引起的一切电流称为暗电流。 暗电流的存

34、在决定了光电倍增管可测光通暗电流的存在决定了光电倍增管可测光通量的最小值，是形成噪声的主要原因。量的最小值，是形成噪声的主要原因。引起暗电流有下列几方面的因素：引起暗电流有下列几方面的因素：热发射热发射 光电阴极和倍增极都是低逸出功发射体，光电阴极和倍增极都是低逸出功发射体，它们在室温下有热电子发射，随温度上升而它们在室温下有热电子发射，随温度上升而增加，特别是光电阴极和第一倍增极的热发增加，特别是光电阴极和第一倍增极的热发射电子，由于经过充分放大，成为暗电流的射电子，由于经过充分放大，成为暗电流的主要部分。主要部分。 要减小热电子发射，应选用热发射要减小热电子发射，应选用热发射小的阴极材料，

35、并在满足使用的前提下，尽小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量量减小光电阴极的面积减小光电阴极的面积，并降低使用温度并降低使用温度。 (2) (2)极间漏电流极间漏电流 所谓极间漏电流是指光电倍增管内支撑所谓极间漏电流是指光电倍增管内支撑电极的绝缘体电极的绝缘体( (如陶瓷片、玻璃件和芯往等如陶瓷片、玻璃件和芯往等) )在高电压下的欧姆漏电。此外，当管座和玻在高电压下的欧姆漏电。此外，当管座和玻壳表而被沾污和受湖时也会引起漏电。壳表而被沾污和受湖时也会引起漏电。 在正常条件下，极间漏电流小于热发射在正常条件下，极间漏电流小于热发射电流。因此在使用光电倍增管时，保证管壳电流。因此在使用光电倍增

36、管时，保证管壳和所有连接件的和所有连接件的清洁干燥清洁干燥是十分必要的。是十分必要的。 残余气体的离子发射残余气体的离子发射 光电倍增管内的残余气体可能被光电子光电倍增管内的残余气体可能被光电子电离而产生正离子和电子。电离而产生正离子和电子。 电离出来的电子轰击倍增极所产生的二电离出来的电子轰击倍增极所产生的二次电子也被倍增；而正离子被管内电场加次电子也被倍增；而正离子被管内电场加速而反馈到阴极，并从阴极轰击次级电子速而反馈到阴极，并从阴极轰击次级电子加入信号光电子行列。两者形成额外的暗加入信号光电子行列。两者形成额外的暗电流，这种效应称为离子发射。电流，这种效应称为离子发射。玻璃闪烁玻璃闪烁

37、 当部分电子偏离正常轨迹打到管壁上当部分电子偏离正常轨迹打到管壁上时会出现闪烁现象，引起暗电流脉冲。时会出现闪烁现象，引起暗电流脉冲。为了消除这种形式的暗电流脉冲，可使为了消除这种形式的暗电流脉冲，可使管子工作在高阳极电压和阴极接地的供管子工作在高阳极电压和阴极接地的供电方式，在玻壳外除敷一层导电层并和电方式，在玻壳外除敷一层导电层并和阴极相连，能有效地解决玻璃外壳闪烁阴极相连，能有效地解决玻璃外壳闪烁问题。问题。场致发射场致发射 电极上的尖端、毛刺、棱角或加工不当电极上的尖端、毛刺、棱角或加工不当造成的粗糙边缘在高电压下产生电子发射造成的粗糙边缘在高电压下产生电子发射称为场致发射。称为场致发

38、射。 由场致发射所引起的电流经过放大后，可由场致发射所引起的电流经过放大后，可能导致暗电流的急剧增加，致使倍增管工能导致暗电流的急剧增加，致使倍增管工作状态极不稳定甚至不能工作。为避免这作状态极不稳定甚至不能工作。为避免这种暗电流的产生，要求种暗电流的产生，要求加工精细，电极边加工精细，电极边做成弯卷状。做成弯卷状。 从上述暗电流产生的原因可见，它与电源电从上述暗电流产生的原因可见，它与电源电压有密切关系。在压有密切关系。在低低电压时，暗电流由漏电电压时，暗电流由漏电流决定；电压流决定；电压较高较高时，主要是热电子发射；时，主要是热电子发射；电压电压再大再大，则导致场致发射和残余气体离子，则导

39、致场致发射和残余气体离子发射，使暗电流急剧增加，甚至可能发生自发射，使暗电流急剧增加，甚至可能发生自持放电。持放电。2 2减少昭电流方法减少昭电流方法 (1)(1)直流补偿直流补偿在光电倍增管输出阳极回路中加上与暗电流方在光电倍增管输出阳极回路中加上与暗电流方向相反曲直流成分，以补偿暗电流的影响。向相反曲直流成分，以补偿暗电流的影响。 (2)(2)选频和锁相放大选频和锁相放大 将入射光调制成一定频率的周期信号，而在光将入射光调制成一定频率的周期信号，而在光电倍增管的信号输出电路中加一选题放大器，电倍增管的信号输出电路中加一选题放大器，以滤掉暗电流的直流分量。以滤掉暗电流的直流分量。 (3) (

40、3)致冷致冷 热电子发射是暗电流的主要成分。冷却光电热电子发射是暗电流的主要成分。冷却光电倍增管可降低从光电阴极和倍增极来的热发射电倍增管可降低从光电阴极和倍增极来的热发射电子。子。(4)(4)电磁屏蔽法电磁屏蔽法 将光电倍增管装在高导磁串的金属圆筒中，将光电倍增管装在高导磁串的金属圆筒中，这能有效地防止周围电磁场的干扰。这能有效地防止周围电磁场的干扰。(5)(5)磁场散焦法磁场散焦法 当测量过程中用窄光束照射较大的光电阴极当测量过程中用窄光束照射较大的光电阴极时，合理地采用磁场可把那些未被照射的光电阴时，合理地采用磁场可把那些未被照射的光电阴极边缘暗电流的电子散射掉；极边缘暗电流的电子散射掉

41、；光电倍增管的应用：一、光谱测量 光电倍增管可用来测量辐射光谱在狭窄波光电倍增管可用来测量辐射光谱在狭窄波长范围内的辐射功率。它在生产过程的长范围内的辐射功率。它在生产过程的控制、元素的鉴定、各种化学分析和冶控制、元素的鉴定、各种化学分析和冶金学分析仪器中都有广泛的应用。金学分析仪器中都有广泛的应用。 二、极微弱光信号的探测二、极微弱光信号的探测光子计数光子计数 光子计数是测显微弱辐射最灵敏的一种方法，光子计数是测显微弱辐射最灵敏的一种方法，也是其新的应用领域。与前述的光电流测量方也是其新的应用领域。与前述的光电流测量方法相比，它具有下列优点：法相比，它具有下列优点：由于采用电脉冲计由于采用电

42、脉冲计数技术，降低了对供电电源等的要求从而提数技术，降低了对供电电源等的要求从而提高了系统的稳定性；可排除由于直流漏电和输高了系统的稳定性；可排除由于直流漏电和输出零漂等原因造成的测量误差；光子计数器的出零漂等原因造成的测量误差；光子计数器的输出可以是数字量，也可以是模拟量，便于作输出可以是数字量，也可以是模拟量，便于作进一步的信息处理。进一步的信息处理。 近几年，生命科学研究受到人们的重视。细近几年，生命科学研究受到人们的重视。细胞是生命科学研究的主要对象，对它观察和分胞是生命科学研究的主要对象，对它观察和分析是一种极微弱的探测技术。先将荧光物质对析是一种极微弱的探测技术。先将荧光物质对细胞

43、进行标记，然后根据细胞发出的不同的荧细胞进行标记，然后根据细胞发出的不同的荧光进行分析。光进行分析。 这种细胞发出的荧光是极其微弱的，它的强这种细胞发出的荧光是极其微弱的，它的强度弱到光子计数水平，因此要求探测器有足够度弱到光子计数水平，因此要求探测器有足够高的量子效率和很低的噪声。高的量子效率和很低的噪声。三、射线的探测三、射线的探测 闪烁计数是最常用也是最有效探测射闪烁计数是最常用也是最有效探测射线粒子的一种方法。它将闪烁晶体与光线粒子的一种方法。它将闪烁晶体与光电倍增管结合在一起，当入射的射线粒电倍增管结合在一起，当入射的射线粒子照列闪烁体上时，它产生光辐射并由子照列闪烁体上时，它产生光

44、辐射并由倍增管接收转变为电信号。倍增管接收转变为电信号。第七章 真空成像器件 真空成象器件根据管内有无扫描机构粗略地分真空成象器件根据管内有无扫描机构粗略地分为为象管和摄象管象管和摄象管。 象管的主要功能是能把象管的主要功能是能把不可见光不可见光( (红外或紫外红外或紫外) )图象或图象或微弱光图象微弱光图象通过电子光学透镜直接转换成通过电子光学透镜直接转换成可见光图象。可见光图象。 摄象管是一种把摄象管是一种把可见光或不可见光可见光或不可见光( (红外、紫红外、紫外或外或x x射线等射线等) )图象通过图象通过电子束扫描电子束扫描后转换成相应后转换成相应的电信号，通过显示器件再成象的光电成象

45、器件。的电信号，通过显示器件再成象的光电成象器件。71变象管和象增强器 变象管相象增强器统称为象管，部具有光变象管相象增强器统称为象管，部具有光谱变换和图象增强的功能。谱变换和图象增强的功能。一、像管的结构和工作原理一、像管的结构和工作原理1 1、结构、结构2 2、工作原理、工作原理 光电阴极使不可见的亮度很低的辐射象光电阴极使不可见的亮度很低的辐射象转换成电子图象，通过荧光屏将电子图象转换成转换成电子图象，通过荧光屏将电子图象转换成可见光学图象。电子光学系统对电子施加很强电可见光学图象。电子光学系统对电子施加很强电场，使电子获得能量，高速轰击荧光屏，使荧光场，使电子获得能量，高速轰击荧光屏，

46、使荧光屏发射出强得多的光能。利用电子透镜能使电子屏发射出强得多的光能。利用电子透镜能使电子成象的原理将光电阴极发出的电子图象呈现在荧成象的原理将光电阴极发出的电子图象呈现在荧光屏上。光屏上。像管的基本结构有三部分组成：像管的基本结构有三部分组成：光电阴极、电子光光电阴极、电子光学系统和荧光屏。学系统和荧光屏。（1 1）光电阴极）光电阴极目前最常用的红外和可见光电阴极有：Ag-O-Cs，用于可见光和红外波段。Sb-Cs，光电阴极的光谱响应主要在可见光区。Sb-K-Na-Cs，光电阴极峰值和长波阈均向长波移动负电子亲和势光电阴极：具有更长的长波阈和更高的红光响应。像管中常用的光电阴极是透射式的。上述阴极已在第二章有所论述。（2）电子光学系统电子光学系统 像管中电子光学系统的任务有两个：像管中电子光学系统的任务有两个：加速光电子；使光电子成像在像面上。加速光电子；使光电子成像在像面上。 把能使电子流聚焦成像的电子光学系统称把能使电子流聚焦成像的电子光学系统称为电子透