光电子技术第14课

1、产生原因产生原因度量度量探测器种类探测器种类散粒噪声散粒噪声光电子的随光电子的随机产生机产生allall产生复合产生复合噪声噪声载流子产生载流子产生与复合的随与复合的随机性机性光电导探测光电导探测器器热噪声热噪声电荷载流子电荷载流子的随机热运的随机热运动动allall1/1/f f 噪声噪声光敏层的微粒不光敏层的微粒不均匀均匀allall温度噪声温度噪声周围环境交换热周围环境交换热能能热探测器热探测器2( )g feIM( )2g feIM( ) 2g fkTR1( )2baIg fkf2( )2g fGkT精彩回顾ffgugn)(2)0(2光电探测器件光电效应：光电效应：真空光电器件、光电导

2、器件及光伏器件光电倍增管（光电倍增管（PMTPMT）发展趋势：发展趋势：高量子效率，高灵敏度，高响应速度，探测波长向红外延伸，提高有效光电面积（平板型），小型化，降低暗电流和自身噪声，减少放射性物质。使用简单化，价格降低。应用应用医疗医疗（如疾病的早期检查）实时观察植物新陈代谢和化学物质的移动实时观察植物新陈代谢和化学物质的移动图图5 5 水被西红柿植株吸收的过程水被西红柿植株吸收的过程宇宙射线探测宇宙射线探测测质子衰变（无）测质子衰变（无）测中微子（测中微子（12种基本粒子之一）种基本粒子之一） 一千公尺深神冈矿山下一千公尺深神冈矿山下 50000 50000吨纯水吨纯水 内层内层11200

3、11200颗颗PMTPMT中微子能量中微子能量传给水电子传给水电子锥形电磁波锥形电磁波水电子速度超过水电子速度超过光在水中的速度光在水中的速度切连可夫辐射切连可夫辐射中微子的性质：中微子的性质：中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速运动。 几乎不与其他物质作用，穿透力强，每秒通过眼睛的中微子数以十亿。中微子产生：核反应，天然放射，超新星，宇宙射线（美国南极平方公里大冰立方中微子天文望远镜）。中微子的探测：中微子的探测：切连可夫辐射 利用中微子和镓的相互作用来探测中微子 中微子的应用：中微子的应用：中微子通讯，地球CT扫描 ，恒星天体的结构三维人体测量三维人体

4、测量服装工业，医疗行业和运动制品行业。服装工业，医疗行业和运动制品行业。激光照射在一种材料上时就会发生拉拉曼散射曼散射效应，转换为分子的振动能振动能,分子的振动频率振动频率是特有的,通过分析这些散射光散射光,就能获悉材料的结结构和化学组成构和化学组成特征。癌症诊断治疗新技术，按分子分离癌细胞和正常细胞癌症诊断治疗新技术，按分子分离癌细胞和正常细胞一、结构和原理一、结构和原理 光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成，其外形如图增系统和阳极五个主要部分组成，其外形如图极微弱光信号极微弱光信号电信号电信号1光窗 光

5、窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。一般常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。2光电阴极 光电阴极多是由化合物半导体材料制作，它接收入射光，向外发射光电子。所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料。3电子光学系统 电子光学系统是适当设计的电极结构，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一级的收集率接近于1；并使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。4倍增系统 倍增系统是由许多倍增极组成的

6、综合体，每个倍增极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。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。 为了表征不同材料的二次电子发射能力，通常将二次发射电子数N2与入射的一次电子数N1的比值定义为该材料的二次发射系数：12NN显然，阳极电流可表示为：i0光阴极发出的光电流 n光电倍增级的级数niI0倍增极材料：倍增极材料： 1）银氧铯和锑铯既是灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体。 2）氧化物型，主要是氧化镁。 3）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。 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 b) 盒栅式 c) 直瓦片式 d) 圆瓦片式5阳极

7、阳极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电子。二、光电倍增管的主要参量与特性二、光电倍增管的主要参量与特性 光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质量好坏的基本依据。分为基本参数（静态参数）、应用参数（动态参数）、基本参数（静态参数）、应用参数（动态参数）、运行特性（例行特性）运行特性（例行特性）。 基本参数与管子工作原理、结构特征、材料性质、制造工艺有关。它包括灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应等。 应用参数与管子应用方法和探测对象有关，反映某种应用的特殊要求。它包括闪烁计数中的脉冲幅度分辨率、噪声能当量、计数坪特性；光子计数中的暗噪声计数、单电子分辨率、峰谷比；

8、快速光脉冲测量中的上升时间、半高宽、渡越时间、时间分辨率等。 运行特性与管子运行条件、运行环境有关。它表征管子承受的外部条件和使用极限，包括稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰特性、抗冲击振动特性等。1.灵敏度 倍增管灵敏度有阴极灵敏度阴极灵敏度与阳极灵敏度阳极灵敏度之分。每一种灵敏度对于入射光，又都有光谱灵敏度光谱灵敏度（对于单色光）与积分灵积分灵敏度敏度（对于多色光或全色光）之分。 测试阴极灵敏度时，以阴极为一极阴极为一极，其它倍增极和阳极倍增极和阳极都连到一起为另一极，相对于阴极加100300V直流电压，照射到光电阴极上的光通量约为10-210-5lm。 测试阳极灵敏度时，各倍增极

9、和阳极都加上适当电压，因为阳极灵敏度是整管参量整管参量，与整管所加电压有关，所以必须注明整管所加电压。 积分灵敏度与测试光源的色温色温有关，一般用色温为2856K的白炽钨丝灯（A光源）。(色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。)色温不同时即使测试光源的波长范围相同，各单色光在光谱分布中的组分不同时，所得的积分灵敏度也不同。灵敏度公式说明阴极灵敏度阴极光谱灵敏度SK()=IK/S：灵敏度 ：波长I：光电流：光通量下标K：阴极下标A：阳极阴极积分灵敏度SK=IK/阳极灵敏度阳极光谱灵敏度SA()=IA/阳极积分灵敏度SA=IA/2.电流增益

10、M 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，即M = IA/IK =SA/SK 若倍增管有n个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数均相等，则Mn 因为是电压的函数，所以M也是电压的函数。3.光电特性 阳极光电流阳极光电流与入射于光电阴极入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。光电特性图光电特性图 当光通量很大时，特性曲线开始明显偏离直线。因此，在工作时阴极不能有强光照射，否则易损坏管子。因它的灵敏度高，光电倍增管允许测量非常小的光通量。4.伏安特性 光电倍增管的伏安特性曲线分为阴极伏安特性曲线阴极伏安特性曲线（阴极电流与阴极电压之间的关系）与阳极伏安特性曲线阳极伏

11、安特性曲线（阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电压的关系）。 阳极伏安特性曲线阳极伏安特性曲线5.暗电流 在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照无光照情况下阳极的输出电流。它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声噪声的重要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。 光电倍增管中产生暗电流的因素较多，其中较为重要的是光光电阴极和光电倍增极的电阴极和光电倍增极的热电子热电子发发射射。温度T越高，热电子发射越多，则暗电流越大，如图所示。如果需要较小的暗电流，可通过冷却冷却光电倍增管来减小暗电流。6.噪声与噪声等效功率 光电倍增管噪声主要是指由倍增管本身引起的输出偏离于平均值的

12、起伏，主要来源是光电阴极、光电发射的随机性随机性和各倍增极二次电子发射的随机性随机性。 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1时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即IA/InA=1时，NEP=InA/SA 它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。7、光谱响应 光电倍增管的光谱响应，在较长的波长取决于所用光电发射材料的性能，而较短的波长则主要取决于窗材料的透射特性。图中示出了锑钾铯（Sb-K-Cs）光电阴极的光谱特性，最灵敏的光谱波长约在4000埃处。8.供电电路 倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。一般情况下，各级电压均相等，约80100V，总电压约10001300V课堂测试游戏规则：游戏规则：1.红军对抗蓝军红军对抗蓝军: 胜者（胜者（2位同学）加分，且该军全体加位同学）加分，且该军全体加3分分； 输方输方0分分，且全军减，且全军减1分分2.老师选两位同级别的同