第05章光电子发射探测器.ppt

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1、,光子探测器,M光电增益,输出光电流,光电导探测器：M可以大于1,光电三极管：M102,雪崩光电二极管：M103,？M106,第05章 光电子发射探测器,Photoemissive detector,简称PE探测器,光 电 管：,光电倍增管：,被半导体光电器件取代,极高灵敏度 106 快速响应 pS,应 用：,微弱光信号、快速脉冲弱光信号,也称为真空光电器件,第05章 光电子发射探测器,5.1 光电阴极,5.2 光电管和光电倍增管结构原理,5.3 光电倍增管的主要特性参数,5.4 光电倍增管的工作电路,5.1 光电阴极,具有外光电效应的材料 光电子发射体,光电子发射探测器中的光电子发射体 又称

2、为光电阴极,光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能！,常用的光电阴极材料,反射系数大、吸收系数小、碰撞损失能量大、逸出功大适应对紫外灵敏的光电探测器。,光吸收系数大得多，散射能量损失小，量子效率比金属大得多光谱响应：可见光和近红外波段。,金属：,半导体：,5.1 光电阴极,常规光电阴极,负电子亲和势阴极,半导体材料广泛用作光电阴极,1、常规光电阴极,（1）AgOCs材料：,（2）单碱锑化物：,（3）多碱锑化物：,（4）紫外光电阴极：,最早的光电阴极表51 主要应用于近红外探测,CsSb阴极最为常用表51 紫外和可见光区的灵敏度最高,SbNaKCs 最实用的光

3、电阴极材料，高灵敏度、宽光谱，红外端延伸930nm，用于宽带光谱测量仪,5.1 光电阴极,1、常规光电阴极,4紫外光电阴极,光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵敏，而对可见光无响应，这种阴极通常称为“日盲”型光电阴极。,“日盲”型光电阴极,实用的两种：,碲化铯(CsTe)长波限为0.32m,碘化铯(Csl)长波限为0.2 m。,响应范围(100280nm),5.1 光电阴极,2.负电子亲和势阴极,Negative Electron Affinity，简称NEA,5.1 光电阴极,电子亲和势EA 真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势,电子亲和势越小，材料发射光电子的能力越强。,真空能级低于导带底

4、能级？,2.负电子亲和势阴极,Negative Electron Affinity，简称NEA,5.1 光电阴极,电子亲和势EA 真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势,负电子亲和势,真空能级低于导带底能级,发射光电子的能力更强,2.负电子亲和势阴极,Negative Electron Affinity，简称NEA,5.1 光电阴极,1963年 Simon提出了负电子亲和势（NEA）理论,1965年J.J.sheer和J.V.laar 用铯激活砷化镓得到零电子亲和势光电阴极；研制出GaAs-Cs负电子亲和势光电阴极,负电子亲和势材料结构、原理,重掺杂的P型硅表面涂极薄的金属Cs，经过处理形成N

5、型的Cs2O。,2.负电子亲和势阴极,以Si-Cs2O光电阴极为例,2.负电子亲和势阴极,P型Si的电子亲和势:,N型Cs2O电子亲和势:,EA1=E0-EC10,EA2=E0-EC20,体内：P型,表面：N型,表面电子，能级Ec1,入射光子,体内电子，能级Ec1,表面逸出电子E0-Ec1 0,体内有效电子亲和势:EAe=E0-EC10,2.负电子亲和势阴极,体内：P型,表面：N型,2.负电子亲和势阴极,负电子亲和势是指体内衬底材料的有效电子亲和势？,经典发射体的电子亲和势仍是正的？,EA1=E0-EC10,EA2=E0-EC20,EAe=E0-EC10,NEA的最大优点：量子效率比常规发射体

6、高得多,光电发射过程分析：,热电子受激电子能量超过导带底的电子,冷电子能量恰好等于导带底的电子,NEA量子效率比常规发射体高得多！,2.负电子亲和势阴极,NEA的优点：量子效率比常规发射体高得多,1、量子效率高2、阈值波长延伸到红外区3、由于“冷”电子发射，能量分散小，在成象器件中分辨率极高4、暗电流极小5、延伸的光谱区内其灵敏度均匀,式（52）与式（165）对比,2.负电子亲和势阴极,第05章 光电子发射探测器,5.1 光电阴极,5.2 光电管和光电倍增管的结构原理,5.3 光电倍增管的主要特性参数,5.4 光电倍增管的工作电路,5.2 光电管和光电倍增管的结构原理,5.2.1 光电管,这类

7、管子体积较大，工作电压高达百伏到数百伏，玻璃外壳容易破碎，它的一般应用目前已基本被半导体光电器件代替。,5.2.2 光电倍增管,Photomultiplier,简称PMT,5.2.2 光电倍增管,Photomultiplier,简称PMT,结构：光窗 光电阴极 电子光学系统 电子倍增系统 阳极,1.光窗,(a)侧窗式；(b)端窗式,1）光入射通道,2）短波阈值,作用：,反射式、透射式,5.2.2 光电倍增管,2.光电阴极,作用:,1)光电转换能力,2)长波波长阈值,3)决定整管灵敏度,5.2.2 光电倍增管,3.电子光学系统,作用:,1）收集率接近于1,2）渡越时间零散最小,通过电场加速和控制

8、电子运动路线,5.2.2 光电倍增管,4.电子倍增极,由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键部分 作用倍增 10-15级倍增极,5.2.2 光电倍增管,4.电子倍增极,1）二次电子发射,一次电子,二次电子,二次电子发射系数：,5.2.2 光电倍增管,二次电子发射系数：,二次发射系数与一次电子能量关系,增大Ep，值反而下降,不同材料 max 金属：0.51.8半导体和介质：56负电子亲和势材料：500,随Ep增大而增大,Epmax约为1001800eV,5.2.2 光电倍增管,内增益极高倍增原理,（1）二次电子发射,入射光照射到光电阴极K上，发射光电子，经电子光学系统加速，聚焦到倍增极上，发射出

9、多个二次电子；电子经n级倍增极，形成放大的阳极电流，在负载RL上产生放大的信号输出。,5.2.2 光电倍增管,4.电子倍增极,（1）二次电子发射,（2）实用的倍增极材料,（3）倍增极结构,灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体,光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成,5.2.2 光电倍增管,5阳极,作用：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。,结构：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空间电荷效应。阳极广泛采用栅网状结构。,5.2.2 光电倍增管,阳极因空间电荷效应而影响接收电子,靠近A，空间的电子浓度很大，对于D10后来没射出来的的电子有排斥

10、作用。,光照,5.2.2 光电倍增管,第05章 光电子发射探测器,5.1 光电阴极,5.2 光电管和光电倍增管的结构原理,5.3 光电倍增管的主要特性参数,5.4 光电倍增管的工作电路,5.3 光电倍增管的主要特性参数,1灵敏度,2电流增益,3光电特性,4光谱特性,5伏安特性,6时间特性,7暗电流,8疲劳特性,9噪声,1灵敏度,光电倍增管的灵敏度,单位：,阴极灵敏度 A/lm或A/W,阳极灵敏度 A/lm 或 A/W,5.3 光电倍增管的主要特性参数,1）阴极灵敏度测试图,照射到光电阴极上的光通量约为10-510-2lm,5.3 光电倍增管的主要特性参数,100V300V,0 V,2）阳极灵敏

11、度测试,各倍增极和阳极都加上适当电压；注明整管所加的电压,3）积分灵敏度,与测试光源的色温有关，多用色温2856K的白炽钨丝灯。,1）阴极灵敏度测试,5.3 光电倍增管的主要特性参数,2电流增益,阳极电流与阴极电流之比称为电流增益M（内增益）,例如：=4，n=10，M106 光电增益M1,5.3 光电倍增管的主要特性参数,电流增益的稳定性：,例如，n912，测量精度1%电源电压稳定度0.1%。,5.3 光电倍增管的主要特性参数,3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关系，称为倍增管的光电特性。,（1）弱光，例如光谱仪，开狭缝,（2）线性，用于模拟量测量时重要,5.3 光电倍增

12、管的主要特性参数,4光谱特性（图59和510）,近红外,远紫外,可见光,短波限窗口材料限制,长波限阴极材料限制,5.3 光电倍增管的主要特性参数,4光谱特性,近红外光,紫外光,可见光,对比光谱响应范围：,PE探测器,PV探测器,紫外光,可见光,红外远红外光,PC探测器,紫外光,可见光,红外极远红外光,5.3 光电倍增管的主要特性参数,5伏安特性,阴极伏安特性,阳极伏安特性：,光电二极管伏安特性：,恒流源计算和分析方法相同,5.3 光电倍增管的主要特性参数,5伏安特性,阴极伏安特性,阳极伏安特性：,交流微变等效电路,恒流源计算和分析方法相同,5.3 光电倍增管的主要特性参数,6时间特性,5.3

13、光电倍增管的主要特性参数,三者分别对信号的响应产生什么影响？,6时间特性,5.3 光电倍增管的主要特性参数,器件时间特性(单位：ns),外电路时间特性(单位：ns),6时间特性,5.3 光电倍增管的主要特性参数,当电路时间常数较大，倍增管的上限截止频率：,倍增管的响应时间,输出电路的时间常数,9噪声与噪声等效功率,阳极散粒噪声=阴极散粒噪声+各级散粒噪声,阳极（总的）散粒噪声的均方值：,5.3 光电倍增管的主要特性参数,阴极散粒噪声对阳极的贡献：,阳极散粒噪声=阴极散粒噪声+各级散粒噪声,阴极散粒噪声对阳极的贡献：,各级散粒噪声对阳极的贡献：,5.3 光电倍增管的主要特性参数,阳极散粒噪声=阴

14、极散粒噪声+各级散粒噪声,阴极散粒噪声对阳极的贡献：,阳极散粒噪声的均方值：,物理意义：,1.倍增起伏使阳极噪声增大K倍,2.增大1,改善信噪比,5.3 光电倍增管的主要特性参数,噪声增强因子,噪声等效功率:,PMT 10-1510-16 W/Hz1/2,PIN PD10-14W/Hz1/2,APD 10-15W/Hz1/2,噪声等效功率计算举例：,CR131 光谱响应范围185900nm；峰值波长400nm 阴极最小有效面积824mm2 典型增益6106 阳极典型暗电流3nA,最大50nA 阴极灵敏度250A/Lm NEP=5.0610-14Lm/Hz1/2?W/Hz1/2,5.3 光电倍增

15、管的主要特性参数,1灵敏度,2电流增益,3光电特性,4光谱特性,5伏安特性,6时间特性,7暗电流,8疲劳特性,9噪 声,第05章 光电子发射探测器,5.1 光电阴极,5.2 光电管和光电倍增管的结构原理,5.3 光电倍增管的主要特性参数,5.4 光电倍增管的工作电路,5.4 光电倍增管的工作电路,是保证其正常工作的必要条件，在常用的光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。,工作电路：,高压供电电路,信号输出电路,分压电阻的确定,并联电容的确定,高压电源,接地方式,高压供电电路分压电阻的确定,总电压UAK 在10001500 V之间，倍增极极间电压UD在80100V之间可以确定分压电阻,5.4 光

16、电倍增管的工作电路,IR,IAmax,高压供电电路分压电阻的确定,5.4 光电倍增管的工作电路,实例：,说明：,i.第一级对阴极电流形成影响最大,高出2030Vii.中间级均匀分配iii.最后一级,要高,克服空间电荷区的影响.,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，极间电压不稳最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。,C2、C3？,5.4 光电倍增管的工作电路,高压供电电路高压电源,专用电源：电压波动在0.05以内,5.4 光电倍增管的工作电路,高压供电电路接地方式,缺点：阴极负高压，屏蔽困难，暗电流和噪声大。,优点：屏蔽罩靠近阴极，效果好；暗电流小，噪声低,阳极接地（负

17、高压接法）,阴极接地(正高压接法),优点：便于与后面放大器相连，操作安全,缺点：高压不利于安全操作；接耐压很高的隔直电容器。,5.4 光电倍增管的工作电路,信号输出电路 交流微变等效电路,电流源,利用伏安特性：负载电阻设计 输出电流 输出电压等计算,5.4 光电倍增管的工作电路,信号输出电路,用负载电阻实现I/V转换：,较大的负载电阻1.频率响应变差2.饱和引起非线性,5.4 光电倍增管的工作电路,负载电阻太大，阳极电压降低 饱和引起非线性,信号输出电路,用负载电阻实现I/V转换：,用运算放大器实现I/V转换：,1.良好的线性2.良好频率响应特性3.转换效率高,较大的负载电阻1.频率响应变差2

18、.饱和引起非线性,5.4 光电倍增管的工作电路,光电倍增管应用举例,超高速碰撞闪光光电倍增管测量系统,光电倍增管应用举例,碰撞闪光的光电信号随时间变化曲线,峰前部分碰撞物的速度和碰撞角度、尺寸、密度和组成峰后部分碰撞产生的热羽黑体辐射衰减信号强度峰值持续时间间隔弹丸参数黑体衰减持续时间长短靶板参数。,光电倍增管应用举例,闪烁计数器：闪烁晶体（NaI）+光电倍增管,光电倍增管应用举例,闪烁计数器：闪烁晶体（NaI）+光电倍增管,PET系统,注入放射性物质，放射正电子，同周围的电子结合淬灭，射出511kev的射线,由探测器接收，可确定体内淬灭电子位置，得到CT像。,光电倍增管应用举例,滨松生产的高通量（high-throughput）PET系统,光电倍增管应用举例,PET扫描图像显示了许多疾病的早期征兆,本章小结：,1光电子发射探测器是利用外光电效应制成的器 件。光电倍增管：高灵敏度、高响应速度。,2光电阴极：常规光电阴极和负电子亲和势阴 极。,3光电倍增管主要参数。噪声：阴极电流散粒噪 声和各级倍增极的散粒噪声。,4光电倍增管工作电路：高压供电电路和信号输出 电路。,