光电倍增管.pptx

一个良好的光电发射材料应具备的条件：一个良好的光电发射材料应具备的条件：(1)光吸收系数大；光吸收系数大；(2)光电子在体内传输过程中受到的能量损失小；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小；(3)表面势垒低，使表面逸出几率大。表面势垒低，使表面逸出几率大。金属：紫外或远紫外区，适用于紫外灵敏的光电探测器金属：紫外或远紫外区，适用于紫外灵敏的光电探测器半导体：可见光和近红外波段，量子效率比金属高很多半导体：可见光和近红外波段，量子效率比金属高很多负电子亲和势：长波限负电子亲和势：长波限1.6mEcEvE0EfEAWh通常通常:EA0负电子亲和势：给半导体表面作负电子亲和势：给半导体表面作特殊处理，使真空能级降到导带特殊处理，使真空能级降到导带之下，即之下，即E0 EC，此时，此时EA 0常用光电阴极材料：常用光电阴极材料：Ag-O-Cs（银（银-氧氧-铯）：长波限铯）：长波限1.2m,两个响应峰值：两个响应峰值：800nm,350nm单碱锑化物（单碱锑化物（LiSb,NaSb,KSb,RbSb(锑化铷锑化铷),CsSb)：长波限：长波限：650nm，峰值波段：，峰值波段：0.30.45m,量子效率量子效率:25%多碱锑化物（多碱锑化物（NaKSb）：峰值波长：）：峰值波长：0.4m,量子效率量子效率:25%紫外光电阴极：紫外光电阴极：CsTe:长波限长波限 0.32m CsI:长波限长波限0.2m负电子亲和势：负电子亲和势：GaAs-Cs 长波限长波限 900nm3.2 光电倍增管光电倍增管(Photomultiplier Tube-PMT)是一种建立在光电子发射效应、二次电子发射和电子光学理论基础是一种建立在光电子发射效应、二次电子发射和电子光学理论基础 上的，把微弱入射光转换成光电子并获得倍增的真空光电发射器件。上的，把微弱入射光转换成光电子并获得倍增的真空光电发射器件。特点：特点：(1)极高灵敏度和超快时间响应极高灵敏度和超快时间响应;(2)极低的噪声；极低的噪声；(3)阴极面积大；阴极面积大；(4)成本低。成本低。应用于：光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、应用于：光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中生化分析仪等仪器设备中 一、光电倍增管的结构一、光电倍增管的结构KDD2D1D4D3D6D5D7D8D9D10aRL-1200-1000-800-600-400-200-1100-900-700-500-300-100K 光电阴极光电阴极D 聚焦极聚焦极D1 D10 倍增极（打拿极倍增极（打拿极 dynode）a 阳极阳极二、光电倍增管的工作原理二、光电倍增管的工作原理光电阴极：光电子发射光电阴极：光电子发射光电阴极的电子受光子激发，离开表面光电阴极的电子受光子激发，离开表面 发射到真空中发射到真空中电子光学系统（聚焦极）：将光电阴极发射的电子会聚成束，并电子光学系统（聚焦极）：将光电阴极发射的电子会聚成束，并 通过膜孔打到第一倍增极上通过膜孔打到第一倍增极上（1）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，）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散射掉，提高信噪比；而将其它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度越时间）使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中度越时间 尽可能相等，以保证光电倍增管的快速响应。尽可能相等，以保证光电倍增管的快速响应。电子光学系统电子光学系统光电阴极光电阴极与光电阴极同与光电阴极同电位的金属筒电位的金属筒带孔膜片带孔膜片D1电子倍增：电子倍增：D1产生二次电子发射，电子被电场加速，入射至产生二次电子发射，电子被电场加速，入射至D2,激发出更多的二次电子，二次电子又在激发出更多的二次电子，二次电子又在D3中激发出更中激发出更 多的二次电子，依此类推，逐级倍增多的二次电子，依此类推，逐级倍增二次电子发射：具有足够动能的某些电子轰击某些材料时，材料表面二次电子发射：具有足够动能的某些电子轰击某些材料时，材料表面 将发射新的电子的现象将发射新的电子的现象二次电子发射过程：二次电子发射过程：（1）材料吸收一次电子的能量，激发体内电子至高能态，被激）材料吸收一次电子的能量，激发体内电子至高能态，被激 电子称为内二次电子；电子称为内二次电子；（2）内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面运动，在）内二次电子中初速度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；运动过程中因散射而损失能量；（3）到达界面的内二次电子克服表面势垒逸出表面成为二次电子。）到达界面的内二次电子克服表面势垒逸出表面成为二次电子。EcEvE0EfEAWh常用的倍增材料：常用的倍增材料：（1）化合物半导体型：）化合物半导体型：CsSb,KCsSb等等（2）合金型：如）合金型：如Cu-Be（3）负电子亲和势型）负电子亲和势型倍增极结构倍增极结构鼠笼式鼠笼式盒栅式盒栅式直线聚焦式；百叶窗式；近贴栅网式；微通道板式直线聚焦式；百叶窗式；近贴栅网式；微通道板式KD1D2DnR1R2Rn-1RnRLVoa倍增后的电子被阳极收集而输出光电流倍增后的电子被阳极收集而输出光电流三、光电倍增管的分类三、光电倍增管的分类端窗管；侧窗管端窗管；侧窗管侧窗管侧窗管(side-on)端窗管端窗管(head-on)（顶窗管）（顶窗管）价格高；价格高；均匀性好；均匀性好；光阴极面积大光阴极面积大价格低；低压下可以具有较高的灵敏度价格低；低压下可以具有较高的灵敏度光电阴极类型光电阴极类型反射式反射式透射式透射式（侧窗管使用）（侧窗管使用）（端窗管使用）（端窗管使用）环形聚焦电子倍增极结构环形聚焦电子倍增极结构侧窗型光电倍增管：价格低，主要应用于侧窗型光电倍增管：价格低，主要应用于分光光度计、旋光仪分光光度计、旋光仪 和常规光度测定方面和常规光度测定方面 光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料，短波段则取决于光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料，短波段则取决于 入射窗材料入射窗材料 常用窗口材料：常用窗口材料：硼硅玻璃硼硅玻璃 ：300nm 300nm 红外红外 透紫外玻璃：透紫外玻璃：紫外性能好，紫外波段截止波长紫外性能好，紫外波段截止波长185nm185nm 熔融石英熔融石英(熔融熔融SiOSiO2 2)：透紫外波长至透紫外波长至160nm160nm 蓝宝石蓝宝石(Al(Al2 2O O3 3晶体晶体)：紫外区透射比介于透紫玻璃和熔融石英间：紫外区透射比介于透紫玻璃和熔融石英间 MgFMgF2 2：在紫外波段有较高的透射比，截止波长：在紫外波段有较高的透射比，截止波长115nm 115nm 紫外紫外 可见光可见光四、光电倍增管的主要特性参数四、光电倍增管的主要特性参数1、光谱响应、光谱响应光谱响应范围光谱响应范围峰值波长峰值波长光谱响应曲线光谱响应曲线2、结构、结构阴极最小有效直径阴极最小有效直径光阴极材料光阴极材料窗口材料窗口材料倍增系统结构倍增系统结构倍增极数倍增极数3、阴极特性、阴极特性阴极光照灵敏度：阴极输出的光电流与入射到光电阴极面上的光阴极光照灵敏度：阴极输出的光电流与入射到光电阴极面上的光 通量之比通量之比单位：单位：A/lm 或或 A/lm 是指使用钨灯产生的是指使用钨灯产生的2856K2856K色温光测试的每单位通量入射光色温光测试的每单位通量入射光产生的阴极光电子电流产生的阴极光电子电流 4、阳极特性、阳极特性阳极光照灵敏度：在接收分布温度为阳极光照灵敏度：在接收分布温度为2856K的光辐射时阳极输出的光辐射时阳极输出 电流与入射光通量的比值。电流与入射光通量的比值。(A/lm)放大倍数放大倍数(增益增益)：5、暗电流：指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流、暗电流：指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流来源：（来源：（1）热电子发射）热电子发射W.Richardson:热发射电流与温度的关系热发射电流与温度的关系A为常数；为常数；W为逸出功为逸出功降低热发射电流的有效办法是降低光电倍增管的工作温度降低热发射电流的有效办法是降低光电倍增管的工作温度（2）极间漏电流）极间漏电流 支撑电极的绝缘体在高压下的欧姆漏电支撑电极的绝缘体在高压下的欧姆漏电 管座和玻壳表面被沾污和受潮时会引起漏电管座和玻壳表面被沾污和受潮时会引起漏电（3）残余气体的离子发射）残余气体的离子发射气体分子电离气体分子电离电场加速电场加速轰击电极轰击电极6、响应时间、响应时间（1）阳极输出脉冲的上升时间）阳极输出脉冲的上升时间（2）渡越时间：一个）渡越时间：一个函数的光脉冲到达光电阴极和阳极输出脉冲函数的光脉冲到达光电阴极和阳极输出脉冲 电流达到最大值的时间间隔电流达到最大值的时间间隔渡越时间渡越时间光脉冲光脉冲电流脉冲电流脉冲10%90%7、磁场特性、磁场特性大多数光电倍增管会受到磁场的影响：灵敏度下降，噪声增加大多数光电倍增管会受到磁场的影响：灵敏度下降，噪声增加 为了减小磁场的影响，一般须在管子外部加一个磁屏蔽筒为了减小磁场的影响，一般须在管子外部加一个磁屏蔽筒8、滞后特性、滞后特性光电倍增管加上高压或开始光照的短时间内（几秒至几十秒），光电倍增管加上高压或开始光照的短时间内（几秒至几十秒），阳极输出电流有短暂的不稳定阳极输出电流有短暂的不稳定五、光电倍增管的供电和信号输出电路五、光电倍增管的供电和信号输出电路1、高压直流供电、高压直流供电阴极与阳极之间加近千伏直流电压阴极与阳极之间加近千伏直流电压在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间分配一定的极间电压在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间分配一定的极间电压常采用电阻分压、电阻和齐纳管（稳压二极管）分压等常采用电阻分压、电阻和齐纳管（稳压二极管）分压等02kVD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10Ka供电电压的极性：供电电压的极性：（1）负高压接法：阳极接地；暗电流和噪声大）负高压接法：阳极接地；暗电流和噪声大 （2）正高压接法：阴极接地；暗电流小，噪声电压低；阳极输出）正高压接法：阴极接地；暗电流小，噪声电压低；阳极输出 必须使用耐高压的耦合电容来输出信号，只能必须使用耐高压的耦合电容来输出信号，只能 输出交变信号输出交变信号Vo