光电检测技术-光电子发射探测器.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,光电探测与信号处理,第三章 光电探测器,华中科技大学,2,第三章 光电探测器,教学内容,课内学时,课外学时,3.1,光电子发射探测器,(PE),3.2,光电导探测器,4h,4h,3.3,光伏探测器,3.3.1,光伏效应及其特性曲线,3.3.2,几种典型光伏器件,3.3.3,光伏探测器的主要特性,4h,4h,3.4,热电探测器,3.4.1,基本原理,3.4.2,热电偶和热电堆,3.4.3,测辐射热计,(Bolometers)3.4.4,热释电器件,4h,4h,3.5,光电成像器件,3.5.1,像管,3.5.2,摄像管,3.5.3 CCD,固体摄像器件,(Charge Coupled Device),3.5.4 CMOS,图像传感器,3.6,各类光电探测器的性能及应用比较,4h,8h,3,光电发射器件是基于外光电效应的器件,3.1,光电子发射探测器,(PE-Photo Emission),4,dynode,M,icro,c,hannel,p,lates,光电管,光电倍增管,像增强管,5,优点,：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小,缺点：,结构复杂，工作电压高，体积大,光电发射器件的特点,许多应用领域被性价比更高、体积小巧便于集成的半导体光电器件所替代，但在,微弱光信号探测、快速光脉冲探测,等方面仍占优势。,6,3.1.1,光电阴极,3.1.2,光电管、像增强管,3.1.3,光电倍增管,一、光电倍增管组成及工作原理,二、,光电倍增管的主要特性参数,三、光电倍增管的供电电路,四、光电倍增管的应用,五、小结,7,3.1.1,光电阴极,将不同波长的各种辐射信号转化为电信号，均依赖光电阴极；,光电阴极关系到光电器件的各项光电性能,8,一、光电阴极的主要参数,1.,灵敏度,2.,量子效率,3.,光谱响应,4.,暗电流,9,1.,灵敏度,包括光谱灵敏度与积分灵敏度。,（,1),光谱灵敏度,定义在单色（单一波长）辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流,I,k,与单色辐射通量,e,之比为光电阴极的光谱灵敏度,S,e,。,（,A/W,或,A/W,）,10,（,2,）,积分灵敏度,定义：在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流,I,k,与入射辐射通量,e,之比。,在可见光波长范围内的,“,白光,”,作用于光电阴极时，光电阴极电流,I,k,与入射光通量,v,之比为光电阴极的白光灵敏度,S,v,。,（,mA/W,或,A/W,）,(mA/lm),11,.,量子效率,定义在,单色辐射,作用于光电阴极时，光电阴极发射单位时间发射出去的光电子数,N,e,与入射的光子数之比为光电阴极的量子效率,（或称量子产额）。即,量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法,。它们之间的关系为,12,3.,光谱响应曲线,光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系曲线称为光谱响应,。,4.,暗电流,光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下获得了热能产生,热电子发射,，形成暗电流。光电发射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值有关。一般光电发射阴极的暗电流极低，其强度相当于,10,-16,10,-18,A/cm,2,的电流密度。,13,二、光电阴极材料,1.,单碱与多碱锑化物光阴极,单碱：,金属锑（,Sb,）与碱金属锂（,Li,）、钠（,Na,）、钾（,K,）、铷,(Rb),、铯（,Cs,）中的一种化合，能形成具有稳定光电发射的发射体。,最常用的是,锑化铯,(Cs,3,Sb),，其阴极灵敏度最高。长波限约为,650nm,，对红外不灵敏，广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。锑化铯阴极的峰值量子效率较高，,一般高达,20%,30%,，,比银氧铯光电阴极高,30,多倍。,多碱,：两种或三种碱金属与锑化合形成多碱锑化物光阴极。其,量子效率峰值可高达,30%,。,暗电流低，光谱响应范围宽。双碱阴极,锑钾钠（,Na,2,KSb,），锑铯钾（,K,2,CsSb,）；,三碱阴极,锑钾钠铯（,NaKSb Cs,）,14,2.,银氧铯与铋银氧铯光电阴极,银氧铯,(Ag-O-Cs),阴极是最早使用的实用光阴极。,它的特点是对近红外辐射灵敏。,制作过程是先在真空玻璃壳壁上涂上一层银膜再通入氧气，通过辉光放电使银表面氧化，对于半透明银膜由于基层电阻太高，不能用放电方法而用射频加热法形成氧化银膜，再引入铯蒸汽进行敏化处理，形成,Ag-O-Cs,薄膜。,银氧铯光电阴极的光谱响应有两个峰值，一个在,350 nm,处，一个在,800 nm,处。光谱范围在,300 nm,到,1200 nm,之间。量子效率不高，峰值处约,0.5%,1%,左右。,银氧铯使用温度可达,100,，但暗电流较大，且随温度变化较快。,15,将近红外区具有高灵敏度的,Ag-O-Cs,阴极和蓝光区具有高灵敏度的,Bi-Cs-O,阴极相结合，可以获得在整个可见光谱内有较均匀响应和高灵敏度的铋银氧铯光电阴极。,铋银氧铯光电阴极制作方法很多，四种元素可以有不同的结合次序，如,Bi-Ag-O-Cs,Bi-O-Ag-Cs,Ag-Bi-O-Cs,等。,量子效率可达,10,，,约为,Cs,3,Sb,光电阴极的一半，其优点是,光谱响应与人眼相匹配,。,16,17,暗电流比较：,Ag-O-Cs,Bi-,Ag-O-Cs,Cs,3,Sb,量子效率比较：,Ag-O-Cs,Bi-,Ag-O-Cs,Cs,3,Sb,多碱,灵敏度比较：,Ag-O-Cs,Bi-,Ag-O-Cs,Cs,3,Sb,I,A,时，流过各分压电阻,R,i,的电流近似相等。工程上常设计,I,R,大于等于,10,倍的,I,A,电流。,I,R,10,I,A,选择的太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。,70,选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值,R,从而可以算出各分压电阻,R,i,。,考虑到阴极到第一级倍增极之间的距离,71,2.,电源电压和极间电压,极间供电电压,U,DD,直接影响着二次电子发射系数,，或管子的增益,G,。因此，根据增益,G,的要求可以设计出极间供电电压,U,DD,。,由,可以计算出,U,DD,。,锑化铯倍增极,银镁合金倍增极,72,供电电压的极性,阳极接地负高压供电：,阳极信号输出方便，可以交直流输出。但由于阴极处于负高压，因屏蔽罩都是与机壳相连接地的，所以光、磁、电的屏蔽罩不能跟阴极靠的很近，至少间隔,1,2cm,，使倍增管尺寸变大，同时阳极输出暗电流和噪声较大。,阴极接地的正高压供电：,光、磁、电的屏蔽罩能跟阴极靠的很近，屏蔽效果好，可以得到较低的暗电流和噪声。但阳极处于正高压会导致寄生电容增大，匹配电缆连接复杂，阳极信号输出必须通过耐高压、噪声小的隔直流电容器，因此只能输出交流信号。,73,G,K,P,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,7,R,6,负高压,DC,输出电路,负高压脉冲输出电路,G,K,P,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,7,R,6,74,3.,极间电压的稳定度,对上两式进行微分，并用增量形式表示，可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系,对锑化铯倍增极,对银镁合金倍增极,由于光电倍增管的输出信号,U,o,=,GS,k,v,R,L,，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关,75,4.,末极的并联电容,当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末,3,级倍增极电流变化会引起较大,U,DD,的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末,3,极并联,3,个电容,C,1,、,C,2,与,C,3,，通过电容的充放电过程使末,3,级电压稳定。,电容,C,1,、,C,2,与,C,3,的计算公式为,式中,N,为倍增极数，,I,am,为阳极峰值电流，,为脉冲的持续时间，,U,DD,为极间电压，,L,为增益稳定度的百分数。,或,锑化铯,银镁合金,76,5.,信号输出,光电倍增管输出一个电流信号，而与其相联的后续电路，一般是基于电压信号而设计的，因此，常用一个,负载电阻,来完成电流,-,电压的转换。在此，我们来研究一下负载电阻的选取。由于光电倍增管输出电流很小，而且实际上常常将其看作一个,恒流源,，因此，一般认为负载电阻可以任意大地选取，从而从一个较低的电流信号，得到一个很高的电压信号。但是实际上，较大的负载电阻会导致频率响应和输出线性的恶化。,77,若负载电阻为,R,L,，光电倍增管阳极和其它电极之间的静电电容量以及由于布线等引起的杂散电容量的总和为,C,s,，则截止频率,f,c,：,上式可以看到，尽管光电倍增管和放大器有极快的响应时间，输出线路响应也将受到截止频率,f,c,的限制。如果负载电阻,R,L,值较高，在较高输出电流情况下，负载电阻将导致阳极电位电压降增大，造成阳极,-,末倍增极电压降低，从而降低了输出线性（输出电流与入射光的比例关系）。,78,实 例,1,79,实 例,2,The multi-anode position sensitive photomultiplier tube(PSPMT),参考文献：赵翠兰等，多阳极位置灵敏光电倍增管位置读出电路的设计实现，原子核物理评论,2010,年,01,期,80,四,.,光电倍增管的应用,光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流低和噪声，还能够在很大范围内调整内增益。因此，它在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。,81,（,2,）原子吸收分光光度计,广泛地应用于微量金属元素的分析。,对应于分析的各种元素，需要专用的元素灯，照射燃烧并雾化分离成原子状态的被测物质上，用光电倍增管检测光被吸收的强度，并与预先得到的标准样品比较。,1,、,光谱学,（,1,）紫外,/,可见,/,近红外分光光度计,-,光吸收原理,光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分能量，称为吸收。利用吸收进行定量分析,:,为确定样品物质的量，采用连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度，即可得到被测物质吸收程度，计算出物质的量。,82,（,3,）发光分光光度计,利用发光原理,样品接受外部照射光的能量会产生发光，利用单色器将这种光的特征光谱线显示出来，用光电倍增管探测出特征光谱线是否存在及其强度。这种方法可以迅速地定性或定量地检查出样品中的元素。,83,（,4,）荧光分光光度计,荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物学原理。物质受到光照射，发射长波的发光，这种光称为荧光。用光电倍增管检测荧光的强度及光谱特性，可以定性或定量地分析样品成份。,（,5,）拉曼分光光度计,用单色光照射物质后被散射，这种散射光中，只有物质特有量的不同波长光混合在里面。这种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物质进行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要复杂的光路系统，并且采用单光子计数法。,84,2.,质量光谱学与固体表面分析,固体表面分析,固体表面的成分和结构，可以用极细的电子、离子、光或,X,射线的束流，入射到物质表面，对表面发出的电子、离子、,X,射线等进行测定来分析。这种技术在半导体工业领域被用于半导体的检查中，如缺陷、表面分析、吸附等。电子、离子、,X,射线一般采用电子倍增器或,MCP,来测定。,85,3.,环境监测,（,1,）尘埃粒子计数器,尘埃粒子计数器检测大气或室内环境中悬浮的粉尘或粒子的密度。它利用了尘埃粒子对光的散乱或,射线的吸收原理。,（,2,）浊度计,当液体中有悬浮粒子时，入射光会粒子被吸收、折射。对人的眼睛来看是模糊的，而浊度计正是利用了光的透过折射和散射原理，并用数据来表示的装置。,86,4.,生物技术,（,1,）细胞分类,细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后，用激光照射，细胞的荧光、散乱光用光电倍增管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置。,（,2,）荧光计,细胞分类的最终目的是分离细胞，为此，有一种用于对细胞、化学物质进行解析的装置，它称为荧光计。它对细胞、染色体发出的荧光、散乱光的荧光光谱、量子效率、偏光、寿命等进行测定。,87,5.,医疗应用,（,1,）,相机,将放射性同位素标定试剂注入病人体内，通过,相机可以得到断层图象，来判别病灶。从闪烁扫描器开始，经逐步改良，,相机的性能得到快速的发展。光电倍增管通过光导和大面积,NaI,（,Tl,）组合成探测器。,（,2,）正电子,CT,放射线同位素（,C11,、,O15,、,N18,、,F18,等）标识的试剂投入病人体内，发射出的正电子同体内结合时，放出淬灭,线，用光电倍增管进行计数，用计算机作成体内正电子同位素分布的断层画面，这种装置称为正电子,CT,。,88,（,3,）液体闪烁计数,液体闪烁计数应用于年代分析和生物化学等领域。将含有放射性同位素物质溶于有机闪烁体内，并置于两个光电倍增管之间，两个光电倍增管同时检测有机闪烁体的发光。,（,4,）临床检查,通过对血液、尿液中微量的胰岛素、激素、残留药物及病毒等对于抗原、抗体的作用特性，进行临床身体检查、诊断治疗效果等。光电倍增管对被同位素、酶、荧光、化学发光、生物发光物质等标识的抗原体的量进行化学测定。,89,6.,射线测定,（,1,）区域检测仪,可以连续地检测环境辐射水平。它采用光电倍增管与闪烁体组合的方式，完成对低水平的,射线和,射线的检测。,（,2,）射线测量仪,射线测量仪采用光电倍增管与闪烁体组合的方式完成对低水平的,射线和,射线的检测。,90,7.,资源调查,石油测井应用,石油测井中用以确定石油沉积位置以及储量等。内藏放射源、光电倍增管和闪烁体的探头进入井中，分析放射源被散射的以及地质结构中的自然射线，判断油井周围的地层类型及密度。,91,8.,工业计测,（,1,）厚度计,工业生产中的诸如纸张、塑料、钢材等的厚度检测，可以通过包括放射源、光电倍增管和闪烁体的设备来实现。对于低密度物质，比如橡胶、塑料、纸张等，采用,射线源；诸如钢板等的高密度物质则使用,射线。（在电镀、蒸发控制等处，镀膜的厚度可使用,X,射线荧光光度计）,（,2,）半导体检查系统,广泛地应用于半导体芯片的缺陷检查、掩膜错位等。芯片的缺陷检查装置中用光电倍增管检测芯片被激光照射后，尘埃、污染、缺陷等产生的散乱光。,92,9.,摄影印刷,彩色扫描,彩色图片或照片进行印刷时，需要将其颜色进行分色扫描。分色是用光电倍增管和滤光片，把彩色分解成三原色（红、绿、兰）和黑色，作为图象数据读出。,93,10.,高能物理,-,加速器实验,（,1,）辐射计数器,在,2,层正交排列的细长塑料晶体的端部，配置光电倍增管，测量带电粒子通过的位置和时间。,（,2,）契伦柯夫计数器,用于粒子撞击反应时产生的二次粒子识别的装置。二次粒子通过诸如气体这种介质时，具有一定能量的电荷粒子会发出契伦柯夫光，测定这种光的发射角度，可以识别电荷粒子。,94,11.,中微子、正电子衰变实验，宇宙线检测,（,1,）中微子实验,用于研究太阳中微子、宇宙线粒子物理学。在用于发生契伦柯夫光的大量介质周围配置很多大直径光电倍增管，当中微子等的宇宙射线同介质发生相互作用，就会产生契伦柯夫光。光电倍增管探测到契伦柯夫光，可以解析粒子的飞来方向、能量等。,（,2,）空气浴计数器,宇宙线与地球大气撞击时，同大气原子发生作用，生成二次粒子，并进一步生成三次粒子。这样地增加下去，称作空气浴。这种空气浴产生的,线、契伦柯夫光，由在地面上排列成格子状的许多光电倍增管来探测。,95,12.,宇宙,（,1,）天体,X,线探测,来自宇宙的,X,线中，含有很多揭开宇宙之谜的信息。,ISAS,集团发射了探测超新星发出的天体,X,线的,“,阿斯卡,”,卫星，其中使用的探测器就是位置灵敏光电倍增管和气体正比计数管的组合体。,（,2,）恒星及星际尘埃散乱光的测定,来自宇宙的紫外线有许多与天体表面温度、星际物质有关的信息。但是，地球大气层阻止了紫外线到达地球表面，所以，在地面上不能加以测量。因此，用发射火箭的方法，在火箭上搭载装置，探测,300nm,以下的紫外线。,96,（,1,）激光雷达,激光雷达用于高精度测距、大气观测等。,13.,激光,（,2,）荧光寿命测定,把激光作为激励光源，测定样品荧光强度的时间变化，用来研究样品的分子结构。,97,14.,等离子体,等离子体探测,托克马克核聚变实验中的等离子电子密度、电子温度测量系统中，使用光电倍增管用来计测等离子中的杂质。,98,光电倍增管是利用光电子发射效应和二次电子发射效应制成的真空光电探测器，主要作用是进行微弱光信号探测。,光电倍增管由五部分构成：光电窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极。,光电倍增管的工作原理：入射光子由窗口入射到光电阴极上，光电阴极将光子变成电子，电子光学系统将电子收集到电子倍增系统的第一极，经电子倍增系统放大后经阳极输出。光电倍增管是一个电流型探测器。,光电倍增管的性能参数主要有：阴极灵敏度、阳极灵敏度、光谱相应曲线、放大倍数、伏安特性曲线和截止频率等。,光电倍增管必须高压供电，一般采用电阻分压方式。当使用阳极接地时，可以测量恒定和变化的光信号，但噪声较大；当采用阴极接地时，只能测量变化的光信号。,五、小结,99,使用注意事项,在使用光电倍增管时，应特别注意以下几点：（,1,）光电倍增管的工作电压可能造成电击，在仪器设计中应适当地设置保护装置。（,2,）由于光电倍增管的封装尾管易受外力或振动而损伤，故应尽量保证其安全。特别是对带有过渡封装的合成石英外壳的光电倍增管，应特别注意外力的冲击和机械振动等影响。（,3,）不要用手触光电倍增管，面板上的光土和手印会影响光信号的穿透率，受到污染的管基会产生低压漏光。光电倍增管受到污染后，可用酒精擦试干净。（,4,）当阳光或其他强光照射到光电倍增管时，会损伤管中的光阴极。所以光电倍增管存放时，不应暴露在强光中。同时测量时应注意选择入射光通量范围，使其工作在线性范围，避免光电阴极疲劳，缩短寿命。（,5,）玻璃管基（芯柱）光电倍增管比塑料管基更缺乏缓冲保护，所以对玻璃管基的管子应更加保护，例如，在管座上焊接分压电阻时，应将光电倍增管先插入管座中。（,6,）在使用中需要冷却光电倍增管时，应经常将光电倍增管的相关部件也进行冷却。氦气会穿透石英管壳，从而使噪声值升高。因此，在使用和存放中避免将光电倍增管暴露在有氦气存在的环境中。,