光電檢測4-概要.ppt

第三章光電檢測器件,一.光電器件的基本特性參數(shù)二.真空光電器件三.半導(dǎo)體光電器件四.光電檢測器件的性能比較,光電檢測器件,第二節(jié)：真空光電探測器件一、光電發(fā)射材料材料種類：純金屬材料、半導(dǎo)體材料，表面吸附其他元素的金屬。良好的光電發(fā)射材料的具備條件：光吸收系數(shù)大；光電子在體內(nèi)傳輸過程中受到的能量損失小，使其逸出深度大；表面勢壘低，使表面逸出幾率大。,光電檢測器件,金屬材料的特點(diǎn)：反射系數(shù)大(約為99)，吸收系數(shù)小；自由電子多，由碰撞引起的能量散射損失大、逸出深度小，逸出功大。因此量子效率較低；光譜響應(yīng)都在紫外或遠(yuǎn)紫外區(qū)，只能適應(yīng)對紫外靈敏的光電器件。,光電檢測器件,半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)：半導(dǎo)體光發(fā)射材料的光吸收系數(shù)比金屬要大得多；體內(nèi)自由電子少，散射能量損失小，所以它的量子效率比金屬大得多；光發(fā)射波長延伸至可見光和近紅外區(qū)。絕大多數(shù)光源是可見光或近紅外。,常用的經(jīng)典光電發(fā)射材料,1、銀氧銫陰極（Ag-O-Cs）,響應(yīng)度,波長,1.2,圖1Ag-O-Cs光電陰極光譜響應(yīng)曲線,紅外段唯一可用材料，但量子效率低，暗電流大,0.35,0.8,2、銻銫陰極（CsSb）,響應(yīng)度,波長,圖2Cs-Sb光電陰極光譜響應(yīng)曲線,藍(lán)光區(qū)量子效率高達(dá)30%，比AgOCs效率高30倍，長波限在0.7微米左右，積分響應(yīng)度可達(dá)70150微安每流明，但光譜響應(yīng)范圍較窄對紅光紅外不靈敏,3、多堿光電陰極A、銻鉀鈉光電陰極：響應(yīng)度可達(dá)50100A/lm，在0.4m處量子效率達(dá)25，能耐高溫；B、銻鉀鈉銫光電陰極：峰值響應(yīng)度波長在0.42微米附近，峰值響應(yīng)度可達(dá)230A/lm，量子效率高；響應(yīng)范圍較寬。4、碲化銫（紫外）光電陰極：對太陽地表面輻射不敏感，響應(yīng)范圍100280nm；長波限在290320nm。,負(fù)電子親和勢材料,為什么NEA陰極的量子效率高于正電子親和勢陰極？價(jià)帶中的電子吸收光子能量，躍遷到導(dǎo)帶底以上，成為熱電子（受激電子能量超過導(dǎo)帶底的電子）。在向表面運(yùn)動的過程中，由于碰撞散射而發(fā)生能量損失，故很快就落到導(dǎo)帶底而變成冷電子（能量恰好等于導(dǎo)帶底的電子）。,熱電子的平均壽命非常短，約10-1410-12s。如果在這么短的時(shí)間內(nèi)能夠運(yùn)動到真空界面，自然能逸出。但是熱電子的逸出深度只有幾十納米，絕大部分電子來不及到達(dá)真空界面，就已經(jīng)落到導(dǎo)帶底變成冷電子了。冷電子的平均壽命比較長，約10-910-8s，。因?yàn)轶w內(nèi)冷電子能量仍高于真空能級，所以它們運(yùn)動到真空界面時(shí)，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多。,NEA與PEA的對比（見書60頁）,二、光電倍增管,光電倍增管（PMT）是光子技術(shù)器件中的一個(gè)重要產(chǎn)品，它是一種具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測器件。可廣泛應(yīng)用于光子計(jì)數(shù)、極微弱光探測、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計(jì)、旋光儀、色度計(jì)、照度計(jì)、塵埃計(jì)、濁度計(jì)、光密度計(jì)、熱釋光量儀、輻射量熱計(jì)、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設(shè)備中。,光電倍增管的結(jié)構(gòu)及原理光電倍增管是一種真空器件。它由光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。,當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。,光電檢測器件,說明：陰極室的結(jié)構(gòu)與光陰極K的尺寸和形狀有關(guān),它的作用是把陰極在光照下由外光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一打拿極D1的表面上。二次發(fā)射倍增系統(tǒng)是最復(fù)雜的部分。打拿極主要選擇那些能在較小入射電子能量下有較高的靈敏度和二次發(fā)射系數(shù)的材料制成。常用的打拿極材料有銻化銫、氧化的銀鎂合金和氧化的銅鈹合金等。打拿極的形狀應(yīng)有利于將前一級發(fā)射的電子收集到下一極。,光電檢測器件,在各打拿極D1、D2、D3和陽極A上依次加有逐漸增高的正電壓,而且相鄰兩極之間的電壓差應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于1。這樣,光陰極發(fā)射的電子在D1電場的作用下以高速射向打拿極D1,產(chǎn)生更多的二次發(fā)射電子,于是這些電子又在D2電場的作用下向D2飛去。如此繼續(xù)下去，每個(gè)光電子將激發(fā)成倍增加的二次發(fā)射電子，最后被陽極收集。,光電檢測器件,主要組成部分PMT由光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)(光電陰極到第一個(gè)倍增極之間的系統(tǒng))、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)及陽極等構(gòu)成。光電陰極可根據(jù)設(shè)計(jì)需要采用不同的光電發(fā)射材料制成。,光電檢測器件,3、分類“聚焦型”和“非聚焦型”電子倍增系統(tǒng)有聚焦型和非聚焦型兩類。聚焦型的打拿極把來自前一級的電子經(jīng)倍增后聚焦到下一級去，兩極之間可能發(fā)生電子束軌跡的交叉。非聚焦型又分為圓環(huán)瓦片式（即鼠籠式）、直線瓦片式、拿柵式和百葉窗式。聚焦型光電倍增管，電子在其中飛行的時(shí)間較短，飛行時(shí)間的漲落也小，它適用于要求分辨時(shí)間短的場合；,光電檢測器件,非聚焦型光電倍增管，由于極與極之間沒有聚焦場，電子損矢較大，為了要得到較大的電子倍增，就要增加倍增極數(shù)目，相應(yīng)地也就增加了飛行時(shí)間及其漲落，所以這種管子的時(shí)間分辨本領(lǐng)較差，其優(yōu)點(diǎn)是同樣大小的光脈沖照射到光陰極不同部位時(shí)，陽極靈敏度變化不大，最后輸出的脈沖幅度比較一致，因此作能譜測量時(shí)的能量分辨率較好。,光電檢測器件,端窗式和側(cè)窗式端窗式：百葉窗倍增極結(jié)構(gòu)、盒柵倍增極結(jié)構(gòu)、瓦片靜電聚焦結(jié)構(gòu)；側(cè)窗式：圓形鼠籠結(jié)構(gòu),圓籠型：,k,A,D,入射光,光電檢測器件,4、PMT的基本特性參數(shù)光譜響應(yīng)度（靈敏度）靈敏度是光電倍增管的一個(gè)重要參數(shù)。要分別標(biāo)出陰極靈敏度和陽極靈敏度，有時(shí)還需標(biāo)出陰極的藍(lán)光、紅光或紅外靈敏度。紅光靈敏度往往采用紅光靈敏度和白光靈敏度之比來表示。,光電檢測器件,實(shí)際使用時(shí)，更希望知道光電倍增管的陽極靈敏度，它是指光電倍增管在一定工作電壓下，陽極輸出電流與照在陰極面上的光通量的比值。因此它是一個(gè)表征倍增以后的整管參數(shù)。一般還標(biāo)出在峰值響應(yīng)波長時(shí)量子效率。就管子性能而言，在特定的峰值波長下的量子效率能比靈敏度給出更有用的指示。,2、放大倍數(shù)（電流增益）,在一定工作電壓下，光電倍增管的陽極電流與陰極電流之比。,3、暗電流（1）定義：無光照時(shí)，PMT的輸出電流。（2）引起暗電流的因素：（主要暗電流）光電陰極第一倍增極的熱電子發(fā)射；（極間漏電流）各級絕緣體強(qiáng)度不夠或極間灰塵放電；離子光的反饋?zhàn)饔茫ǔ檎婵占夹g(shù)受限）；場致發(fā)射，尖端放電（尖端，棱角，邊緣的高壓放電）；放射性同位素宇宙射線的影響。,（3）減小暗電流的方法：選好PMT的極間電壓；在陽極回路中加上與暗電流相反的直流成分來補(bǔ)償；在倍增輸出電路加一選頻或鎖相放大濾掉暗電流；利用冷卻法減小熱電子發(fā)射等。,4、伏安特性,Ia,VaDn,E3,E2,E1,E3E2E1,圖5PMT的陽極伏安特性,光電檢測器件,頻率響應(yīng)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.23nsPMT的噪聲一般來說，選PMT總是使熱噪聲遠(yuǎn)小于器件固有的散粒噪聲，所以PMT主要考慮散粒噪聲，而不考慮熱噪聲。,光電檢測器件,5、供電電路分壓器電阻分壓器本身不是光電倍增管的一部分，但為使其正常工作又是一個(gè)不可缺少的部分。它的作用是使光電倍增管中從光電陰極到依次各二次極最后到陽極的電位逐漸升高，使光電子順利完成電子倍增過程，在各種類型的分壓器中，用得最多也最簡單的是電阻分壓器，按照各極間所需電壓的比例采用相應(yīng)的電阻值，使總電壓分配到各極間去。,光電檢測器件,陰極-第一倍增極：維持陰極與第一倍增圾之間具有適當(dāng)高的電場是很重要的。這樣，第一倍增極就具有較高的二次發(fā)射系數(shù)，外界電磁場的影響也較小。在快速光電倍增管中，陰極與第一倍增極之間電壓應(yīng)盡可能高，使光電子的渡越時(shí)間分散小，一般應(yīng)兩倍于其它極間的電壓或更高些。,中間倍增極：中間倍增極電壓可根據(jù)需要的增益來選擇。中間倍增極一般是采用均勻分壓器。,光電檢測器件,末級倍增極：輸出電流大時(shí)，末級倍增極應(yīng)采用非均勻分壓器，使最后兩級或三級倍增極之間有較高電場，從而避免空間電荷效應(yīng)。但是在弱光探測中，為了提高管子的靈敏度，有時(shí)最后一個(gè)電阻值取得小些。,光電檢測器件,儲能電容為了避免在最后幾個(gè)倍增極上由于信號脈沖電流過大而影響極間電位分布，則需在若干個(gè)極間加上儲能電容。當(dāng)倍增極電流小于分壓器電流的1/10時(shí)，不需要跨接電容。,光電檢測器件,供給電源供給光電倍增管的高壓電源，根據(jù)使用要求可以采用正高壓或負(fù)高壓。一般有三種接地法，每一種方式各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。,光電檢測器件,采用負(fù)高壓電源(圖3-12），陽極輸出不需要隔直電容，便于用直流法測量陽極輸出電流，一般陽極分布參數(shù)也較小?？墒窃谶@種情況下，必須保證作為光屏蔽和電磁屏蔽的金屬筒距離管殼至少要10一20mm，否則由于屏蔽筒的影響，可能相當(dāng)大地增加陽極的暗電流和噪聲?？稍诳拷軞ぬ幵偌右粋€(gè)屏蔽罩，并將它連接到陰極電位上。,光電檢測器件,采用正高壓電源就失去了采用負(fù)高壓電源的優(yōu)點(diǎn)，這時(shí)在陽極上需接上耐高壓、噪聲小的隔