S2光电探测器件03课件

C2光电探测器件2023/2/612光电探测器件2.1光电探测器的物理效应2.2光电探测器的性能参数2.3外光电效应型光电探测器2.4内光电效应型光电探测器2.5固体成像器件2.6光电探测光源2外光电效应型探测器32光电探测器件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①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52.3.1光电阴极①光电阴极主要参数2量子效率3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62.3.1光电阴极②光电阴极的分类72.3.1光电阴极③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92.3.1光电阴极③常用光电阴极材料4负电子亲和势光电阴极(NEA)(2)光谱响应率均匀，光谱响应向红外延伸PEA的阈值波长NEA的阈值波长(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102.3.2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敏度等因素。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132.3.2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能和减少漏电流142.3.1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。152.3.2真空光电管–主要参数②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。172.3.2真空光电管–主要参数③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。①不同的电极结构，有不同的饱和光电流。②对同一光电管，饱和光电流随入射光通量的增加而增大③对于不同入射波长的光，即使光通量相同，饱和电流也不同。182.3.2真空光电管–主要参数④时间（频率）特性输出信号电压一般规定，下降到频率为探测器的截止响应频率和响应频率。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。212.3.3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。①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。②混合气体型：常选氩氖混合气体，其中氩占10％左右。222.3.3充气光电管–主要参数①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。232.3.3充气光电管–主要参数③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。④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。252.3.4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。262.3.4光电倍增管光电倍增管主要部件入射窗口光电阴极电子光学系统电子倍增系统阳极272.3.4光电倍增管②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①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，提高信噪比。②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。292.3.4光电倍增管③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。二次发射系数倍增级材料1）Ag-O-CsCsSb2）氧化物型3）合金型4）负电子亲合势材料302.3.4光电倍增管③电子倍增系统侧窗聚焦型直接定向线性聚焦型a鼠笼式312.3.4光电倍增管b盒栅式c直线聚焦式③电子倍增系统322.3.4光电倍增管③电子倍增系统d百叶窗式e近贴栅网式f微通道板式332.3.4光电倍增管③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342.3.4光电倍增管④阳极阳极：输出最终的倍增电子流。352.3.4光电倍增管362.3.4光电倍增管–主要参数①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3）阳极光照灵敏度372.3.4光电倍增管–主要参数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第N级的二次电子发射系数为阳极输出电流为②增益382.3.4光电倍增管–主要参数光电倍增管的放大倍数为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②增益392.3.4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。②增益402.3.4光电倍增管–主要参数③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的极限灵敏度热电子发射极间欧姆漏电残余气体及场致发射412.3.4光电倍增管–主要参数③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422.3.4光电倍增管–主要参数④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减少噪声和暗电流的有效方法是致冷⑤伏安特性阴极伏安特性入射光通量一定时，阴极光电流与阴极和第一倍增级之间的电压阳极伏安特性入射光通量一定时，阳极光电流与阳极和最后一级倍增极之间的电压432.3.5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（δ>3）和导电性能的微细玻璃纤维，孔径为6-45μm，长度为0.6-1.6mm442.3.5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。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。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。452.3.5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。462.3.5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①增益：输出电流与输入电流之比。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α472.3.5微光通道板(通道电子倍增器)①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最大增益482.3.5微光通道板(通道电子倍增器)②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。492.3.5微光通道板(通道电子倍增器)②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502.3.5微光通道板(通道电子倍增器)②电流传递特性1通道壁的电阻效应通道内的电压降为零，场强为零电子通过通道时得不到加速，没有足够能量产生二次电子通道的输出电流不再随输入电流增加而增加，形成输出电流密度的饱和。饱和的输出电流密度值等于微通道板在工作电压下形成的传导电流密度512.3.5微光通道板(通道电子倍增器)②电流传递特性2通道壁的充电效应但微通道板处于脉冲工作状态，由于通道壁的电子发射在脉冲工作瞬间不完全需要由传导电流来补充损失的电子，在短瞬间可以输出大于通道电阻效应所限定的饱和电流密度。在此瞬间通道壁被充上正电荷，不能维持较长时间的电子发射。脉冲工作的饱和电流密度取决于充电效应。极限工作状态是通道输出端充电