第三章光电技术PMT.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,*,5,光电发射效应及其,PMT,3.5.1,光电发射效应,-,外光电效应,（一）光电发射原理,金属或半导体在光的照射下,吸收,光子激发出自由电子,，当吸收的,能量足以克服原子核对电子的束,缚时，电子就会脱离原子核逸出,物质的表面，这就是物质的,光电,发射现象,，也称为,外光电效应,。,它是真空光电器件光电阴极的物,理基础。,（二）光电效应三定律,1.,光电发射第一定律,斯托列托夫定律：,当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射辐射通量（光强度）成正比：,I,：饱和光电流；,k,：光电发射灵敏度系数；,：入射辐射通量；,2.,光电发射第二定律,光电子的,最大动能,与入射光的,频率,成正比，而与入射光强度无关：,外光电效应发生的条件：,3.,光电效应中有,红限,存在，即光电发射的,长波限为：,（三）光电发射的基本过程,光电发射大致可分三个过程：,1),光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，,从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。,2),受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程,中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失,去一部分能量。,3),达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克,服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即,可从表面逸出，形成光电子。,光电发射的基本过程,（四）相关材料特性,良好光电发射材料的标准,光吸收系数大,以便产生较多的受激电子；,光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，,使其逸出深度大；,表面势垒低，使表面逸出几率大；,具有一定的电导率。因为电子出去以后，还要,从外部电源补充电子。,满足上述,4,点的材料就会得到较高的量子,效率，是好的光电发射材料。,为什么纯金属不适合用作光电阴极材料？,金属材料是否满足上述,4,点？,其反射率为,90%,，吸收光能少；,体内自由电子多，由于碰撞引起的能量散射损失大，逸出深度小；,逸出功大（,3eV,），难逸出金属表面，量子效率低；,光谱响应在紫外或远紫外区（红限不长于,600nm,），适于紫外灵敏的光电器件。,半导体作阴极的优点,光吸收系数比金属大；,体内自由电子少，光电子在运动过程中的能量损失小，故量子效率比金属大；,价带中的电子浓度大，电子逸出功小；,光发射波长延伸至,可见光,、,近红外,波段。,70,年代后期,在半导体光电发射材料的基础上，发展了,负电子亲和势,光电阴极，长波可至,1.6um,。,E,A,E,A,E,A,N,P,本征半导体,P,型半导体,N,型半导体,电子亲和势（,E,A,）,指导带底上的电子向真空逸出所需要,的能量。,光电逸出功,指材料在绝对零度时光电子逸出表面所需的,最低能量。描述材料表面对电子束缚的强弱。,5.2,光电倍增管,(PMT-,Photo-multiple tube,),利用,外光电效应,和,二次电子发射效应,相结合，把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子,获得倍增,的一种真空光电探测器件，极大地提高了检测灵敏度。,放大倍数很高，用于探测微弱信号；,光电特性的线性关系好；,工作频率高；,性能稳定，使用方便；,供电电压高；,玻璃外壳，抗震性差；,价格昂贵，体积大；,一、光电倍增管的结构与原理,光窗（,Input window),光电阴极,(Photo cathode),电子光学系统,电子倍增系统,(Dynodes),阳极,(Anode),1,、光窗,入射光的通道；,光窗材料决定了,PMT,光谱特性的短波阈值,;PMT,光谱特性的长波阈值由什么因素决定,?,光窗通常有侧窗和端窗两种类型；,常用窗口材料有：硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、蓝宝石和氟化镁等；,光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面,接收入射光,向外发射光电子。,透射型,反射型,2,、光电阴极,（,1,）结构,把光电发射体镀在金属或透明材料,（玻璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极。,（,2,）常用材料,：,Ag-O-Cs,：近红外唯一具有使用价值的阴极材料；,CsSb,：可见、紫外区有较高的响应率,;,多碱光电阴极,（双、三、四,碱）；,负电子亲和势材料,3,、电子光学系统,是指,光电阴极,至,第一倍增极之间,的区域。,电子光学系统在结构上主要由,聚焦电极,和,偏转电极,组成,电子光学系统的主要作用：,（,1,）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增极的有效区域内；而将其它部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比。,（,2,）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增极所经历的时间尽可能一致，保证,PMT,的快速响应。,倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由,二次电子发射体,构成。,二次电子发射效应,当有,足够动能的电子,轰击某种材料时,材料表面发射新的电子的现象。称入射电子为,一次电子,从材料表面发射的电子为,二次电子,。用该材料的,二次发射系数,表征材料发射电子的能力：,4,、电子倍增系统,二次电子发射的过程,：,材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态（二次电子）；,体内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面运动；,到达界面的二次电子中能量大于表面势垒的电子发射到真空中，成为二次电子。,要求：,二次电子发射系数要大,倍增极材料,主要是,Ag-O-Cs,、,CsSb,，灵敏的光电发射体一般也是良好的二次电子发射体；,氧化物：,MgO,、,BaO,；,合金型：银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等；,负电子亲合势材料；,倍增极结构,根据电子的轨迹，倍增极可分为,：,非聚焦型,只加速,如：盒栅式、百叶窗式,聚 焦 型,加速聚焦,如：圆瓦片式（鼠笼式）、,直线聚焦式,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,阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它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。,阳极结构示意图,要求：,接收性能良好，尽可能多的收集电子，工作在较大电流时，不至于产生,空间电荷效应。,输出电容要小,光电倍增管工作原理,光电阴极,倍增极,阳极,电子光学系统,光电倍增管（,PMT,）是利用,外光电效应,制成的一种光电探测器件。其光电转换分为,光电发射,和,电子倍增,两个过程。其工作原理如下图示。,二、光电倍增管的基本特性,1.,灵敏度,（,1,）阴极灵敏度,定义光电倍增管阴极电流,I,k,与入射光谱辐射通量之比为阴极的光谱灵敏度，并记为,若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，,I,K,与光谱辐射通量的积分之比，记为,S,k,（,2,）阳极灵敏度,定义光电倍增管阳极输出电流,I,a,与入射光谱辐射通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为,若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为,S,a,2.,电流增益（放大倍数）,电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性。,理想光电倍增管的增益,G,与电子发射系数,的关系为,对于,锑化铯,倍增极材料,对,银镁合金,材料,光电倍增管在电源电压确定后，电流放大倍数可以从定义出发，通过测量阳极电流,I,a,与阴极电流,I,k,确定。,3.,光电特性,在很宽的范围内是线性的，如图,P121,：图,3.87,。,实际工作时，要求阳极输出电流不得超过额定值，,一般在,100,A,以下,，因此,PMT,只适用于测量非常微弱的光信号。,4.,光谱特性,5.,伏安特性,当入射到光电倍增管阳极面上的光通量一定时，阳极电流,I,a,与阳极和末级倍增极之间电压,(,简称为阳极电压,U,a,),的关系曲线称为阳极伏安特性，如图为,3,组不同强度的光通量的伏安特性。,6.,频率特性：,高达,1MHz,以上,当阳极电压增大到一定程度后，被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集，阳极电流,I,a,与入射到阴极面上的光通量,成线性关系而与阳极电压的变化无关。,7.,暗电流,光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为,I,D,。,光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是很小的，一般为,10,-16,10,-10,A,，,是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。,暗电流限制了可测的直流光通量的最小值,影响暗电流的主要因素：,1.,欧姆漏电,2.,热发射,3.,残余气体放电,4.,场致发射,5.,玻璃壳放电和玻璃荧光,8.,疲劳与衰老,光电阴极材料和倍增极材料中一般都含有铯金属。当电子束较强时，电子束的碰撞会使倍增极和阴极板温度升高，,铯金属蒸发,，影响阴极和倍增极的电子发射能力，,使灵敏度下降,。甚至使光电倍增管的灵敏度完全丧失。因此，必须限制入射的光通量使光电倍增管的输出电流不得超过极限值,I,aM,。,为防止意外情况发生，应对光电倍增管进行过电流保护，阳极电流一旦超过设定值便自动关断供电电源。,三、,光电倍增管的供电电路,光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应用的情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电阻分压式供电电路。,电路由,11,个电阻构成电阻链分压器，分别向,10,个倍增极提供电压,U,DD,。,1,、电阻链的设计,考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的电子流按放大倍率分布，其中，,阳极电流,I,a,最大,。,因此，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当流过分压电阻的电流,I,R,远远大于,I,a,时，即,I,R,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,选择的阻值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。,选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值,R,R,=,U,bb,/,I,R,各分压电阻,R,i,为,而,R,1,应为,R,1,=1.5,R,i,R,1,较高,可使,U,D1,较高,从而提高第一倍增极的二次电子发射系数。,2,、,电源电压,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,与电源电压,U,bb,。,由,可以计算出,U,DD,与,U,bb,，,（锑化铯倍增极材料）,（银镁合金材料）,3.,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，,t,为脉冲的持续时间，,U,DD,为极间电压,4.,电源电压的稳定度,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,在实际应用中常常,对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级,。例如，当要求输出电压稳定度为,1%,时，则要求电源电压稳定度应高于,0.1%,。,例,1,：,当采用,GDB-235,型光电倍增管接收,持续时间为,200ns,的光脉冲,，已知,它的,倍增级数,为,8,级,，阴极为,SbCs,材料，倍增极也为,SbCs,材料,，,极间电压为,100V,，,阳极输出峰值电流为,100,A,，,输出电压为,5V,。并要求放大倍数的,稳定度为,1%,。设计此,PMT,的供电电路，并确定电源电压的稳定度至少为多少？,解,采用电阻链均匀分压的供电电路,(1),总电压,U=NU,DD,=8,100V=800V,(2),选择电阻链的电流,I,R,=10,I,amin,(3),因此，总电阻为,:,R=U/,I,R,=800V/1000,A,=800k,均分电阻,则,计算出,代入计算略,.,Ri,=R/8=800/8=100k,(4),确定最后三级并联电容,:,对,SbCs,阴极,所以,:,(6),电源电压的稳定度为,对,SbCs,阴极,(5),选择负载电阻为,例,2,如果上题中,GDB-235,的阴极光电流灵敏度,S,k,为,40,A/,lm,，阳极最大输出电流为,2mA,，,试问阴极面上的入射光通量不能超过多少,lm,？,解,由于,I,am,=,G,S,K,Vm,故阴极面上的入射光通量不能超过,光电倍增管的应用,1,光谱测量,2,光子计数器,3,在相位激光测距仪中的应用,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。,LHAASO,项目,