光电倍增管新.ppt

3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 光电培增管光电培增管光电培增管光电培增管 光电培增管是外光电效应探测器，把微弱的入射光转换光电培增管是外光电效应探测器，把微弱的入射光转换光电培增管是外光电效应探测器，把微弱的入射光转换光电培增管是外光电效应探测器，把微弱的入射光转换成光电子，并获得培增的重要的真空光电发射器件。成光电子，并获得培增的重要的真空光电发射器件。成光电子，并获得培增的重要的真空光电发射器件。成光电子，并获得培增的重要的真空光电发射器件。一结构与原理一结构与原理光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极等统和阳极等 五个主要部分组成，其外形如图。五个主要部分组成，其外形如图。1 1、结构、结构2 2、工作原理、工作原理光子透过入射窗口入射到光电阴极上光子透过入射窗口入射到光电阴极上光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极增极D D1 1上，上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经电子。入射电子经N N 级倍增极倍增后，光电子就放大级倍增极倍增后，光电子就放大N N次。次。经过倍增后的二次电子由阳极经过倍增后的二次电子由阳极A A收集起来，形成阳极光电收集起来，形成阳极光电流，在流，在 负载负载R RL L上产生信号电压。上产生信号电压。hKAD1D2DnR1R2RnRlV0二组成部分二组成部分1 1、光窗、光窗 光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。通光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。通常有侧窗和端窗两种，侧窗一般使用反射式光电阴极，而端窗常有侧窗和端窗两种，侧窗一般使用反射式光电阴极，而端窗一般使用半透明光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧一般使用半透明光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面。面。常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英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。和氟镁玻璃等。如：硼硅玻璃，其透射光谱范围从如：硼硅玻璃，其透射光谱范围从300nm300nm到红外到红外 熔融石英，其透紫外波长可达到熔融石英，其透紫外波长可达到160nm160nm2 2、光电阴极、光电阴极它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体，它决定了倍增管光谱特性的长的材料多是化合物半导体，它决定了倍增管光谱特性的长波阈值，同时也决定了整管的灵敏度。波阈值，同时也决定了整管的灵敏度。3 3、电子光学系统、电子光学系统主要有两方面的作用：主要有两方面的作用：使光电阴极发射的光电子尽可能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，一般用电子收集率射掉，提高信噪比，一般用电子收集率 o o表示。表示。使阴极面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，使渡越时间差异最小，以保证光电倍增管的快速响应，等，使渡越时间差异最小，以保证光电倍增管的快速响应，一般渡越时间的离散性一般渡越时间的离散性t t用表示。用表示。4 4、倍增系统、倍增系统倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，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。（1 1）二次发射电子）二次发射电子具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子，种现象称为二次电子发射。轰击材料的入射电子称为一次电子。（2 2）倍增极的原理及结构）倍增极的原理及结构4 4、倍增系统、倍增系统由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键部分部分 作用倍增作用倍增 10-1510-15级倍增极级倍增极4 4、倍增系统、倍增系统入射光照射到光电阴极入射光照射到光电阴极K K上，发射上，发射光电子光电子，经电子光学系统，经电子光学系统加速，聚焦到倍增极上，发射出加速，聚焦到倍增极上，发射出多个二次电子多个二次电子；电子经；电子经n n级级倍增极倍增极，形成放大的阳极电流，在负载，形成放大的阳极电流，在负载R RL L上产生放大的信号上产生放大的信号输出。输出。4 4、倍增系统、倍增系统如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出个二次个二次电子，那么很明显地：电子，那么很明显地：式中，式中，I I阳极电流；阳极电流；i i0 0 光阴极发出的光电流；光阴极发出的光电流；n n光电倍光电倍增极的级数。增极的级数。光电倍增管的电流放大系数光电倍增管的电流放大系数可用下式表示可用下式表示:=图为倍增管各电极的连接线路。为简单起见，图为倍增管各电极的连接线路。为简单起见，只画了四个倍增极。只画了四个倍增极。倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型倍增系统倍增极的结构形式有直瓦聚焦型倍增系统倍增极的结构形式有直瓦片式、圆瓦片式；非聚焦倍增系统倍增极片式、圆瓦片式；非聚焦倍增系统倍增极的结构形式有百叶窗式和盒栅式。的结构形式有百叶窗式和盒栅式。（3 3）倍增极结构）倍增极结构光电倍增管中的倍增极一光电倍增管中的倍增极一般由般由几级到十五级几级到十五级组成，组成，光电倍增管按倍增极结构光电倍增管按倍增极结构可分为聚焦型与非聚焦型可分为聚焦型与非聚焦型两种。两种。非聚焦型光电倍增管有百非聚焦型光电倍增管有百叶窗型（图叶窗型（图a a）与盒栅式）与盒栅式（图（图b b）两种结构；）两种结构；聚焦型有瓦片静电聚焦型聚焦型有瓦片静电聚焦型（图（图c c）和圆瓦片式（图）和圆瓦片式（图d d）两种结构。）两种结构。倍增极结构形式倍增极结构形式特点特点聚聚焦焦型型直瓦片式直瓦片式极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统的稳可能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性。定性。圆瓦片式圆瓦片式结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。差些。非非聚聚焦焦型型百叶窗式百叶窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高制成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有的电子可能越级穿过，收集率较时，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间零散较大。低，渡越时间零散较大。盒栅式盒栅式收集率较高（可达收集率较高（可达95%），结构紧凑，），结构紧凑，但极间电子渡越时间零散较大。但极间电子渡越时间零散较大。（3 3）倍增极结构）倍增极结构阳极阳极作用：作用：收集最末一级倍增极发射出来的二次电子，收集最末一级倍增极发射出来的二次电子，向外电路输出电流。向外电路输出电流。结构：结构：具有较高电子收集率，能承受较大电流密度具有较高电子收集率，能承受较大电流密度，在阳极附近空间不产生在阳极附近空间不产生空间电荷效应空间电荷效应。阳极广泛采用栅。阳极广泛采用栅网状结构。网状结构。光电倍增管分类光电倍增管分类1.1.按进光方式：按进光方式：A A侧窗式侧窗式 B B端窗端窗式；式；上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首THANK YOUSUCCESS2024/4/7 周日19可编辑2.2.电极工作方式电极工作方式：A A透射式透射式 B B反射式；反射式；3.3.倍增极数目：倍增极数目：A A单极单极 B B多极；多极；4.4.倍增极系统结构：倍增极系统结构：A A盒状盒状 B B圆笼式圆笼式 C C百叶窗式百叶窗式 D D直直线瓦片式线瓦片式5.5.光电阴极材料：光电阴极材料：CsSbCsSb、Ag-O-CsAg-O-Cs、多碱、多碱光电倍增管分类光电倍增管分类三、光电倍增管的主要特性参数三、光电倍增管的主要特性参数1 1灵敏度灵敏度 2 2电流增益电流增益3 3光电特性光电特性4 4光谱特性光谱特性5 5伏安特性伏安特性6 6时间特性时间特性7 7暗电流暗电流8 8疲劳特性疲劳特性9 9噪声噪声1 1、光电特性、光电特性阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数阳极光电流与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。关系，称为倍增管的光电特性。在相当宽的范围内为直线。当在相当宽的范围内为直线。当光通量很大时，特性曲线开始光通量很大时，特性曲线开始明显偏离直线。在工作时阴极明显偏离直线。在工作时阴极不能有强光照射，否则易损坏不能有强光照射，否则易损坏管子。因它的灵敏度高，光电管子。因它的灵敏度高，光电倍增管允许测量非常小的光通倍增管允许测量非常小的光通量，或所需放大器的级数可以量，或所需放大器的级数可以较少。较少。2 2、光谱特性、光谱特性图中示出了锑钾铯图中示出了锑钾铯（Sb-K-CsSb-K-Cs）光电）光电阴极的光谱特性，阴极的光谱特性，最灵敏的光谱波长最灵敏的光谱波长约在约在40004000埃处。同埃处。同时还要注意环境温时还要注意环境温度对光电倍增管光度对光电倍增管光谱相应的影响。谱相应的影响。3 3、伏安特性、伏安特性阳极伏安特性定义阳极伏安特性定义为：当入射光通量为：当入射光通量一定时，阳极电流一定时，阳极电流I Ia a与最后一级倍增极与最后一级倍增极和阳极之间电压和阳极之间电压U U的的关系。相应于不同关系。相应于不同光通量值的阳极伏光通量值的阳极伏安特性示于图中，安特性示于图中，它表示阳极电流它表示阳极电流I I对于最后一级倍增对于最后一级倍增极和阳极间的电压极和阳极间的电压U U的关系。作此曲线的关系。作此曲线时，其余各电极的时，其余各电极的电压保持恒定。电压保持恒定。4 4、放大特性、放大特性光电倍增管的电流放光电倍增管的电流放大系数大系数或灵敏度随或灵敏度随电源电压电源电压U U增大的关增大的关系，称为放大特性。系，称为放大特性。随着电源电压升高，随着电源电压升高，电子在电场中的速度电子在电场中的速度加快，动能增大，电加快，动能增大，电子在倍增电极中可打子在倍增电极中可打出更多的二次发射电出更多的二次发射电子，因而放大系数或子，因而放大系数或灵敏度增大。工程上灵敏度增大。工程上有时利用这一性质来有时利用这一性质来自动调节光电倍增管自动调节光电倍增管的灵敏度。的灵敏度。5 5、频率特性、频率特性 光电倍增管的频率特性很好，光电倍增管的频率特性很好，f f高达高达10106 6HZHZ或更高时仍能保持或更高时仍能保持高的灵敏度。高的灵敏度。6 6、疲乏特性、疲乏特性 光电倍增管在工作过程中灵敏度要降低，其原因是最后几光电倍增管在工作过程中灵敏度要降低，其原因是最后几极倍增极的疲劳。曲线极倍增极的疲劳。曲线1 1和和2 2各画出了相应于横坐标所给阳极电各画出了相应于横坐标所给阳极电流流I I值，经过值，经过2020分钟和分钟和4040分钟后的灵敏度降低的情况。管子工分钟后的灵敏度降低的情况。管子工作的头几分钟，疲劳得最快，以后疲劳过程就逐渐缓慢了。即作的头几分钟，疲劳得最快，以后疲劳过程就逐渐缓慢了。即使阳极电流非常微弱，还是有疲劳现象，只是灵敏度的降低相使阳极电流非常微弱，还是有疲劳现象，只是灵敏度的降低相当慢而已。当慢而已。若测量过程中，阳极电流不超过若测量过程中，阳极电流不超过1 1毫安，则每次测量后，把毫安，则每次测量后，把管子放在暗室中几昼夜，其灵敏度能恢复到近于初始值。而管管子放在暗室中几昼夜，其灵敏度能恢复到近于初始值。而管子的衰老是不可逆的变化子的衰老是不可逆的变化7 7、暗电流、暗电流 光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，在无光光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流。在测量微弱光强时，其影响特别照情况下测定的阳极电流。在测量微弱光强时，其影响特别大。大。暗电流的来源：暗电流的来源：光电阴极和光电倍增管的热电子发射光电阴极和光电倍增管的热电子发射 光电倍增管的极间漏电流光电倍增管的极间漏电流 场致发射场致发射 减少暗电流的办法：减少暗电流的办法：采用热电子发射能力弱的光电阴极和倍增极采用热电子发射能力弱的光电阴极和倍增极 采用合适的屏蔽减小自然界中辐射线照射采用合适的屏蔽减小自然界中辐射线照射 致冷致冷 将入射光调制成一定频率的周期信号，而输出电路中加将入射光调制成一定频率的周期信号，而输出电路中加一选频放大器一选频放大器四、四、光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路是保证其正常工作的必要条件，在常用的光探是保证其正常工作的必要条件，在常用的光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。测器件中，其工作电路是最为复杂的。工作电路：工作电路：高压供电电路高压供电电路分压电阻的确定分压电阻的确定 并联电容的确定并联电容的确定 高压电源高压电源 接地方式接地方式 四光电倍增管的供电四光电倍增管的供电1 1、高压供电、高压供电 为了使光电倍增管能正常工作，通常需要在阴极为了使光电倍增管能正常工作，通常需要在阴极(K)(K)和阳极和阳极(A)(A)之间加上近千伏的高压。同时还需要在阴极、聚之间加上近千伏的高压。同时还需要在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间分配一定的极间电压，保证光电焦极、倍增极和阳极之间分配一定的极间电压，保证光电子能被有效收集，光电流通过倍增极系统得放大。最常用子能被有效收集，光电流通过倍增极系统得放大。最常用的分压器是采用一组电阻跨接在阴极与阳极之间。的分压器是采用一组电阻跨接在阴极与阳极之间。高压供电电路分压电阻的确定高压供电电路分压电阻的确定 总电压总电压U UAKAK 在在100010001500 V1500 V之间，之间，倍增极极间电压倍增极极间电压U UD D在在8080100V100V之之间可以确定间可以确定分压电阻分压电阻IRIAmax高压供电电路分压电阻的确定高压供电电路分压电阻的确定 实例：实例：说明：说明：i.i.第一级对阴极电流形成影响最大第一级对阴极电流形成影响最大,高出高出2030V2030Vii.ii.中间级均匀分配中间级均匀分配iii.iii.最后一级最后一级,要高要高,克服空间电荷区的影响克服空间电荷区的影响.高压供电电路并联电容的确定高压供电电路并联电容的确定 探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳最后几级并联旁路电容最后几级并联旁路电容C C1 1、C C2 2、C C3 3。四光电倍增管的供电四光电倍增管的供电2 2、供电电压的极性、供电电压的极性一般的分压电路中采用阳极接地，负高压供电。如图。一般的分压电路中采用阳极接地，负高压供电。如图。这种供电方式的好处：可消除外部信号输出电路与这种供电方式的好处：可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差阳极之间的电位差 这种供电方式的缺点：由于靠近管子玻壳的金属支架这种供电方式的缺点：由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接地，它们与阴极和倍增极之间存在较高的电位或磁屏蔽筒接地，它们与阴极和倍增极之间存在较高的电位差，结果使某些光电子打到玻壳上产生噪声差，结果使某些光电子打到玻壳上产生噪声hKAD1D2DnR1R2RnRlV0高压供电电路接地方式高压供电电路接地方式 缺点缺点：阴极负高压，屏蔽阴极负高压，屏蔽困难，暗电流和噪声大。困难，暗电流和噪声大。优点优点：屏蔽罩靠近阴极，效果屏蔽罩靠近阴极，效果好；暗电流小，噪声低好；暗电流小，噪声低阳极接地（负高压接法阳极接地（负高压接法 ）阴极接地阴极接地(正高压接法正高压接法)优点优点：便于与后面放大器便于与后面放大器相连，操作安全相连，操作安全缺点缺点：高压不利于安全操作；高压不利于安全操作；接耐压很高的隔直电容器。接耐压很高的隔直电容器。上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首THANK YOUSUCCESS2024/4/7 周日37可编辑