第四章光电发射器件课件.ppt

1、第第4 4章章 光电发射器件光电发射器件光电发射器件（真空光电器件）是基于光电发射器件（真空光电器件）是基于外光电效应外光电效应的的器件。器件。外光电效应（光电发射效应）外光电效应（光电发射效应）：当物质中的电子吸：当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子，这种现象称为光电发射效应或外光电效应。的自由电子，这种现象称为光电发射效应或外光电效应。光电发射效应中光电能量转换的基本关系为光电发射效应中光电能量转换的基本关系为：2012thhmvE真空光电器件光电管被半导体器件取代光电倍增管特点：灵敏度高、稳定性好、响应

2、速度快和噪声小在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面应用很在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面应用很多。多。缺点：结构复杂，工作电压高，体积大本章内容本章内容4.1 4.1 光电阴极光电阴极4.2 4.2 光电管和光电倍增管结构原理光电管和光电倍增管结构原理4.3 4.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数4.4 4.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路光电发射阴极的主要作用是吸收光子能量发射光光电发射阴极的主要作用是吸收光子能量发射光电子，是我们光电效应发生的区域。电子，是我们光电效应发生的区域。常将半导体发射材料涂于玻壳常将半导体发射材料涂于玻壳内壁，构成内壁，构成光电

3、阴极；光电阴极；而而阳极阳极是金属环或者金属网，是金属环或者金属网，在其对面。在其对面。4.1 4.1 光电发射阴极光电发射阴极 光电阴极光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能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！好坏直接影响整个光电发射器件的性能！（1 1）光谱灵敏度光谱灵敏度 在单一波长辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流在单一波长辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流I Ik k与单与单色辐射通量色辐射通量e,e,之比为光电阴极的之比为光电阴极的光谱灵敏度光谱灵敏度S Se,e,。即。即 其量纲为其量纲为A/WA/W或或A/WA/W。光电发射阴极的灵敏度

4、包括光电发射阴极的灵敏度包括光谱灵敏度光谱灵敏度与与积分灵敏度积分灵敏度两类。两类。1 1、灵敏度、灵敏度一、光电发射阴极的主要特性参数一、光电发射阴极的主要特性参数4.1 4.1 光电发射阴极光电发射阴极 e,ke,IS 在某波长范围内的辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电在某波长范围内的辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流流I Ik k与入射辐射通量与入射辐射通量e e之比为光电阴极的之比为光电阴极的积分灵敏度积分灵敏度S Se e。（2 2）积分灵敏度积分灵敏度 1 1、灵敏度、灵敏度一、光电发射阴极的主要特性参数一、光电发射阴极的主要特性参数4.1 4.1 光电发射阴极光电发射阴极

5、量纲为量纲为mA/WmA/W或或A/WA/W。0e,kedIS （2 2）积分灵敏度积分灵敏度 1 1、灵敏度、灵敏度一、光电发射阴极的主要特性参数一、光电发射阴极的主要特性参数4.1 4.1 光电发射阴极光电发射阴极 在可见光波长范围内的在可见光波长范围内的“白光白光”作用于光电阴极时，光电阴极作用于光电阴极时，光电阴极电流电流I Ik k与入射光通量与入射光通量v v之比为光电阴极的之比为光电阴极的白光灵敏度白光灵敏度S Sv v。即。即k780v,380dvIS量纲为量纲为mA/lmmA/lm。2 2、量子效率、量子效率一、光电发射阴极的主要特性参数一、光电发射阴极的主要特性参数4.1

6、4.1 光电发射阴极光电发射阴极 一定波长的光子入射到光电阴极时，该光电阴极单位时间发一定波长的光子入射到光电阴极时，该光电阴极单位时间发射出去的光电子数射出去的光电子数N Ne,e,与入射的光子数与入射的光子数N Np,p,之比为光电阴极的之比为光电阴极的量子效率量子效率（或称量子产额）。（或称量子产额）。p,e,NN 量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。e,e,e,k1240qhc/q/SShI3 3、光谱响应、光谱响应一、光电发射阴极的主要特性参数一、光电发射阴极的主要特性参数4.1 4.1 光电发射阴极光电发射阴极 1240(

7、)LththhcnmEE 真空光电器件中长波灵敏度极限，主要由光电阴极材料的长真空光电器件中长波灵敏度极限，主要由光电阴极材料的长波限决定：波限决定：光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系曲光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系曲线称为光谱响应曲线。线称为光谱响应曲线。4 4、暗电流、暗电流一、光电发射阴极的主要特性参数一、光电发射阴极的主要特性参数4.1 4.1 光电发射阴极光电发射阴极 光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下获得了热光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下获得了热能产生热电子发射，形成暗电流。光电发射阴极的暗电流与材料能产生热电子发射，形成

8、暗电流。光电发射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值有关。一般光电发射阴极的暗电流极低，其强度的光电发射阈值有关。一般光电发射阴极的暗电流极低，其强度相当于相当于1010-16-161010-18-18A/cmA/cm-2-2的电流密度。的电流密度。1 1、单碱或多碱锑化物光电阴极、单碱或多碱锑化物光电阴极二、光电发射阴极材料二、光电发射阴极材料4.1 4.1 光电发射阴极光电发射阴极 金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，形成具金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，形成具有稳定光电发射的发射物有稳定光电发射的发射物LiSbLiSb、KSbKSb、RbSbRbSb、CsSbCsSb

9、，其中，以，其中，以CsSbCsSb阴极的阴极的灵敏度最高，是最具有实用价值的光电发射材料灵敏度最高，是最具有实用价值的光电发射材料。（1 1）单碱锑化物单碱锑化物 锑化铯阴极在锑化铯阴极在可见光的短波长和近紫外区可见光的短波长和近紫外区（0.30.30.450.45m m）响应率最高，长波限在响应率最高，长波限在0.650.65m m附近；光照灵敏度附近；光照灵敏度6060A/lxA/lx，量，量子效率子效率30%30%，暗电流，暗电流1010-16-16A/cmA/cm2 21 1、单碱或多碱锑化物光电阴极、单碱或多碱锑化物光电阴极二、光电发射阴极材料二、光电发射阴极材料4.1 4.1 光

10、电发射阴极光电发射阴极 当金属锑与几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应度，当金属锑与几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应度，其中有双碱、三碱和四碱等，统称多碱锑化物光电阴极。其中有双碱、三碱和四碱等，统称多碱锑化物光电阴极。（2 2）多碱锑化物多碱锑化物 NaNa2 2KSbKSb：光谱响应与：光谱响应与CsSbCsSb相近；峰值波长相近；峰值波长0.40.4m m；量子效率；量子效率25%25%；光照灵敏度光照灵敏度5050A/lmA/lm。特点是特点是耐高温耐高温，工作温度可达，工作温度可达150150度，可用于石油勘探等场合；度，可用于石油勘探等场合；热电子发射小热电子发射小，室温下

11、约为，室温下约为1010-17-171010-18-18A/cmA/cm2 2，可用于光子计数。，可用于光子计数。1 1、单碱或多碱锑化物光电阴极、单碱或多碱锑化物光电阴极二、光电发射阴极材料二、光电发射阴极材料4.1 4.1 光电发射阴极光电发射阴极 （2 2）多碱锑化物多碱锑化物 NaNa2 2KSbKSb（CsCs）：锑钾钠铯阴极是三碱阴极中最有实用价值的一）：锑钾钠铯阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种。它从种。它从紫外到近红外紫外到近红外的光谱区都具有较高的量子效率，典型光的光谱区都具有较高的量子效率，典型光照灵敏度为照灵敏度为150150A/lmA/lm；长波限；长波限850nm85

12、0nm；热电子发射；热电子发射1010-14-141010-1616A/cmA/cm2 2，工作稳定性好。，工作稳定性好。2 2、银氧铯（、银氧铯（Ag-O-CsAg-O-Cs）阴极）阴极二、光电发射阴极材料二、光电发射阴极材料4.1 4.1 光电发射阴极光电发射阴极 1934 1934年研制的第一支红外变年研制的第一支红外变象管就采用这种阴极，是最早出象管就采用这种阴极，是最早出现的实用光电阴极。它的特点是现的实用光电阴极。它的特点是对近红外辐射灵敏。对近红外辐射灵敏。银氧铯光电阴极的相对光谱响应曲线有银氧铯光电阴极的相对光谱响应曲线有两个峰值两个峰值，一个在，一个在350 350 nmnm

13、处，一个在处，一个在800nm800nm处。光谱范围在处。光谱范围在300nm300nm到到1200nm1200nm之间。量子效率之间。量子效率不高，峰值处约不高，峰值处约0.5%0.5%1%1%左右。银氧铯使用温度可达左右。银氧铯使用温度可达100100，但暗，但暗电流较大，且随温度变化较快。电流较大，且随温度变化较快。真空光电管主要由真空光电管主要由光电阴极光电阴极和和阳极阳极两部分组成，因管内常两部分组成，因管内常被抽成真空而称为被抽成真空而称为真空光电管真空光电管。一、真空光电管一、真空光电管4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 一、真空光电

14、管一、真空光电管4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、充气型光电管的工作原理、充气型光电管的工作原理 有时为了使某种性能提高，在管壳内也充入某些低气压惰有时为了使某种性能提高，在管壳内也充入某些低气压惰性气体形成性气体形成充气型的光电管充气型的光电管。这类管子体积较大，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。二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍

15、增管的工作原理 光电倍增管是一种建立在光电倍增管是一种建立在光电效应光电效应、二次电子发射二次电子发射和和电子电子光学理论光学理论基础上的，把微弱入射光转换成光电子，并获得倍增基础上的，把微弱入射光转换成光电子，并获得倍增的重要的真空光电发射器件。的重要的真空光电发射器件。二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 1 1、光电倍增管的工作原理、光电倍增管的工作原理 光电倍增管主要由光电倍增管主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍

16、光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极增极和和阳极阳极等部分组成。等部分组成。二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（1 1）入射窗结构）入射窗结构 光电倍增管按进光的方式分通常有光电倍增管按进光的方式分通常有侧窗侧窗和和端窗端窗两种形式。侧两种形式。侧窗型光电倍增管是通过管壳的侧面接收入射光，而端窗式光电倍窗型光电倍增管是通过管壳的侧面接收入射光，而端窗式光电倍增管是通过管壳的端面接

17、收入射光。增管是通过管壳的端面接收入射光。二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（1 1）入射窗结构）入射窗结构 侧窗式光电倍增管一般使用侧窗式光电倍增管一般使用反射式反射式光电阴极，而且大多数采光电阴极，而且大多数采用鼠笼式倍增极结构。用鼠笼式倍增极结构。侧窗式光电倍增管侧窗式光电倍增管二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Mu

18、ltiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（1 1）入射窗结构）入射窗结构 端窗式光电倍增管通常使用端窗式光电倍增管通常使用半透明半透明光电阴极，光电阴极材料光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面。一般半透明光电阴极的灵敏度、均匀性沉积在入射窗的内侧面。一般半透明光电阴极的灵敏度、均匀性比反射式阴极好，而且阴极面可以做成各种大小。比反射式阴极好，而且阴极面可以做成各种大小。端窗式光电倍增管端窗式光电倍增管二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple Tub

19、ePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（1 1）入射窗结构）入射窗结构1 1）硼硅玻璃：透射光谱范围从）硼硅玻璃：透射光谱范围从300nm300nm到红外，不适合作紫外辐射到红外，不适合作紫外辐射窗口材料，能较好地应用于闪烁计数；窗口材料，能较好地应用于闪烁计数；2 2）透紫外玻璃：紫外波段的截止波长约）透紫外玻璃：紫外波段的截止波长约185nm185nm；3 3）熔融石英：透紫外波长可达）熔融石英：透紫外波长可达160nm160nm，只能做管子的头；，只能做管子的头

20、；4 4）蓝宝石；）蓝宝石；5 5）氟化镁。）氟化镁。常用窗口材料常用窗口材料二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（2 2）电子光学系统）电子光学系统二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍

21、增管的结构（2 2）电子光学系统）电子光学系统 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光学系统在结构上主要由聚焦电极聚焦电极和和偏转电极偏转电极组成。组成。电子光学系统的作用：电子光学系统的作用：（1 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上，）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比；而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比；（2 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）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

22、间尽可能一致，保证光电倍增管的快速响应。间尽可能一致，保证光电倍增管的快速响应。二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（2 2）电子光学系统）电子光学系统电子收集率电子收集率0 0达到达到85%85%以上；以上；渡越时间的离散性渡越时间的离散性t t是指阴极面上是指阴极面上各点所发射的光电子达到第一倍增各点所发射的光电子达到第一倍增极上各处时产生的时间差，约为极上各处时产生的时间差，约为

23、10ns10ns。光电阴极光电阴极金属导金属导电层电层带孔膜片带孔膜片第一倍增极第一倍增极二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（3 3）电子倍增极）电子倍增极 二次电子发射：具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料二次电子发射：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，这种现象称为表面将发射新的电子，这种现象称为二次电子发射二次电子发射。倍增极材料倍增极材料 通常把二次发

24、射的电子数通常把二次发射的电子数N2N2与入射的一次电子数与入射的一次电子数N1N1的比值定的比值定义为倍增极材料的义为倍增极材料的发射系数发射系数21NN二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（3 3）电子倍增极）电子倍增极 二次电子发射步骤：二次电子发射步骤：材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些被激发材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些被激发电子称为内二次

25、电子；电子称为内二次电子；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；程中因散射而损失能量；如果达到界面的内二次电子仍有足以克服表面势垒的能量，即逸如果达到界面的内二次电子仍有足以克服表面势垒的能量，即逸出表面成为二次电子。出表面成为二次电子。二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（3 3）电子倍增

26、极）电子倍增极 二次电子发射与光电发射的区别：二次发射电子的过程由高二次电子发射与光电发射的区别：二次发射电子的过程由高能电子的激发材料产生电子发射，而不是光子激发所致。一般光能电子的激发材料产生电子发射，而不是光子激发所致。一般光电发射性能好的材料也具有二次电子发射功能。电发射性能好的材料也具有二次电子发射功能。倍增极材料倍增极材料二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（3 3）电子倍

27、增极）电子倍增极 常用的倍增极材料有：常用的倍增极材料有：锑化铯：在较低的电压下产生较高的发射系数；锑化铯：在较低的电压下产生较高的发射系数；氧化银镁合金（氧化银镁合金（AgMgOCsAgMgOCs）：可在较强的电流和较高的温度）：可在较强的电流和较高的温度（150150度）下工作度）下工作倍增极材料倍增极材料二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（3 3）电子倍增极）电子倍增极 光电倍

28、增管中倍增极一般由几级到十五级组成，根据电子轨迹光电倍增管中倍增极一般由几级到十五级组成，根据电子轨迹的形式可分为两类：的形式可分为两类：聚焦型和非聚焦型聚焦型和非聚焦型。倍增极结构倍增极结构 凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚在下一倍增极上，在凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚在下一倍增极上，在两个倍增极之间可能发生电子束交叉的结构称为聚焦型；非聚焦两个倍增极之间可能发生电子束交叉的结构称为聚焦型；非聚焦型形成的电场只能使电子加速，电子轨迹是平行的。型形成的电场只能使电子加速，电子轨迹是平行的。二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto

29、 Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（3 3）电子倍增极）电子倍增极 根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管的倍增极分为根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管的倍增极分为六种形式：鼠笼式、瓦片静电聚焦型、盒栅式、百叶窗式、近贴六种形式：鼠笼式、瓦片静电聚焦型、盒栅式、百叶窗式、近贴栅式和微通道板式。栅式和微通道板式。倍增极结构倍增极结构二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2

30、真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（3 3）电子倍增极）电子倍增极倍增极结构倍增极结构n鼠笼式鼠笼式K4D1D2D3D5D6D7D8DA二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（3 3）电子倍增极）电子倍增极n瓦片静电聚焦型瓦片静电聚焦型1D2D3D4D5D6D7D8D9D10DAK二、光电倍增管（二、光电倍增管（P

31、MTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（3 3）电子倍增极）电子倍增极n盒栅式盒栅式K1D2D3D4D5D6D7D8D2D10D11DA二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（3 3）电子倍增极）电子倍增极n百叶窗

32、式百叶窗式1D2D3D4D5D6D7D8D9DA10DK二、光电倍增管（二、光电倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理真空光电管与光电倍增管的工作原理 2 2、光电倍增管的结构、光电倍增管的结构（4 4）阳极）阳极 作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输出电流。对于阳极的结构要求具有较高的电子收集率，能承受较出电流。对于阳极的结构要求具有较高的电子收集率，能承受较大的电流密度，阳极的输出电容要小，目前阳极广泛采用栅网

33、状大的电流密度，阳极的输出电容要小，目前阳极广泛采用栅网状结构。结构。1 1、灵敏度、灵敏度4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性(1)(1)阴极灵敏度阴极灵敏度 光电倍增管阴极电流光电倍增管阴极电流I Ik k与入射光谱辐射通量之比与入射光谱辐射通量之比,称为称为阴极阴极的光谱灵敏度的光谱灵敏度，记为，记为 e,k,kIS0e,kkdIS 在某波长范围内的辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电在某波长范围内的辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流流I Ik k与入射辐射通量与入射辐射通量e e之比为之比为阴极的积分灵敏度阴极的积分灵敏度SeSe。白光灵敏度或光照灵敏度白光灵敏

34、度或光照灵敏度k780v,380dkIS1 1、灵敏度、灵敏度4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性(2)(2)阳极灵敏度阳极灵敏度 定义光电倍增管阳极输出电流定义光电倍增管阳极输出电流IaIa与入射光谱辐射通量之比为与入射光谱辐射通量之比为阳极的光谱灵敏度阳极的光谱灵敏度，并记为，并记为 e,a,aIS若入射辐射为某一波段范围，则定义为若入射辐射为某一波段范围，则定义为阳极积分灵敏度阳极积分灵敏度0e,aadIS阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度aa780v,380dIS2 2、电流放大倍数（增益）、电流放大倍数（增益）4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性 光

35、电倍增管阳极电流与阴极电流的比值，称为光电倍增管的电光电倍增管阳极电流与阴极电流的比值，称为光电倍增管的电流放大倍数或称增益。流放大倍数或称增益。aakkISGIS 光电倍增管倍增极的二次电子发射系数光电倍增管倍增极的二次电子发射系数与一次电子的加速电与一次电子的加速电压压U UDDDD有关，当电压在几十至几百伏时，可表示为有关，当电压在几十至几百伏时，可表示为kDDCU C C是常数，是常数，k k值与倍增极的材料和结构有关。值与倍增极的材料和结构有关。2 2、电流放大倍数（增益）、电流放大倍数（增益）4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性 例如，对于锑化铯倍增极例如，对于

36、锑化铯倍增极kDDCU0.70.2DDU 如果光电倍增管有如果光电倍增管有N N级倍增极，那么光电阴极发射的光电流经级倍增极，那么光电阴极发射的光电流经过各级倍增极倍增后，从阳极输出的电流为过各级倍增极倍增后，从阳极输出的电流为 对于氧化银镁合金倍增极对于氧化银镁合金倍增极0.025DDU01 122()()()aknnII 为电子光学系统的收集率；为电子光学系统的收集率；和和 分别是分别是1 1，2 2n n级倍级倍增极的二次电子发射系数和电子收集率。增极的二次电子发射系数和电子收集率。012,n 12,n 2 2、电流放大倍数（增益）、电流放大倍数（增益）4.3 4.3 光电倍增管的基本特

37、性光电倍增管的基本特性 假定各倍增极的电子反射系数和电子收集率相等，假定各倍增极的电子反射系数和电子收集率相等，则电流放大倍数为：则电流放大倍数为：N0i()G 0.7nDDn(0.2)UG 对于锑化铯倍增极材料对于锑化铯倍增极材料 对银镁合金材料对银镁合金材料 nDDn(0.025)UG 3 3、暗电流、暗电流4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性 光电倍增管在光电倍增管在无辐射无辐射作用下的作用下的阳极输出电流阳极输出电流称为称为暗电流暗电流，记，记为为I ID D。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是所有光电探。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是所有光电探测器

38、件中暗电流最低的器件。测器件中暗电流最低的器件。(1)(1)热电子发射热电子发射KTthq4/5tdeAETI 由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法。降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法。3 3、暗电流、暗电流4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性(2)(2)欧姆漏电欧姆漏电 欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电

39、和欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。在低电压灰尘漏电等。欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。这种效应在工生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。降低工作电压会减作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。降低工作电压会减小残余气体放电产生的暗电

40、流。小残余气体放电产生的暗电流。(3)(3)残余气体放电残余气体放电3 3、暗电流、暗电流4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性(4)(4)场致发射场致发射 光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极尖端或棱角的场光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极尖端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流。显然降低工作电压场致发射暗电流强太高产生的场致发射暗电流。显然降低工作电压场致发射暗电流也将下降。也将下降。当部分电子偏离正常轨迹打到管壁上时会出现玻璃壳放电或当部分电子偏离正常轨迹打到管壁上时会出现玻璃壳放电或玻璃荧光现象，引起暗电流脉冲。为了消除这种形式的暗电流脉玻璃荧光现象，引起暗

41、电流脉冲。为了消除这种形式的暗电流脉冲，可使管子工作在高阳极电压和阴极接地的供电方式，在玻壳冲，可使管子工作在高阳极电压和阴极接地的供电方式，在玻壳外涂敷一层导电层和阴极相连。外涂敷一层导电层和阴极相连。(5)(5)玻璃壳放电和玻璃荧光玻璃壳放电和玻璃荧光4 4、噪声、噪声4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性 光电倍增管噪声主要由光电倍增管噪声主要由散粒噪声散粒噪声和和负载电阻的热噪声负载电阻的热噪声组成。组成。(1)(1)负载电阻的热噪声负载电阻的热噪声:主要来自负载电阻或运算放大器的反馈电主要来自负载电阻或运算放大器的反馈电阻和运算放大器的输入阻抗。阻和运算放大器的输入

42、阻抗。a2naK4RfTI4 4、噪声、噪声4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性(2)(2)散粒噪声散粒噪声:由阴极暗电流由阴极暗电流I Id d，背景辐射电流，背景辐射电流I Ib b以及信号电流以及信号电流I Is s的的散粒效应所引起的。散粒效应所引起的。)(22dkbkskk2nkIIIfqfqII散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产生自身的散粒噪声。散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产生自身的散粒噪声。如第如第1 1级输出的散粒噪声电流为级输出的散粒噪声电流为 )1(2)(112nk1k21nk2nD1IfqIII4 4、噪声、噪声4.3 4.3 光电倍增

43、管的基本特性光电倍增管的基本特性(2)(2)散粒噪声散粒噪声:第第2 2级输出的散粒噪声电流为级输出的散粒噪声电流为)1(2)(212212nk21k22nD12nD2IfqIII第第n n级倍增极输出的散粒噪声电流为级倍增极输出的散粒噪声电流为)(111nn1nnnn3212nk2nDn II设各倍增极的发射系数都等于设各倍增极的发射系数都等于，则倍增管末倍增极输出的散，则倍增管末倍增极输出的散粒噪声电流为粒噪声电流为 fGqII122k2nDn4 4、噪声、噪声4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性(2)(2)散粒噪声散粒噪声:fGqII122k2nDn 通常在通常在3

44、36 6之间，之间，接近于接近于1 1，则光电倍增管输出的散粒噪，则光电倍增管输出的散粒噪声电流简化为声电流简化为 1fGqII2k2nDn2总噪声电流为总噪声电流为 fGqIRfKTIn2ka2244 4、噪声、噪声4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性(2)(2)散粒噪声散粒噪声:fGqIRfKTIn2ka224 在设计光电倍增管电路时，总是力图使负载电阻的热噪声远在设计光电倍增管电路时，总是力图使负载电阻的热噪声远小于散粒噪声小于散粒噪声 2ka42KT fqI GfR 设光电倍增管的增益设光电倍增管的增益G=10G=104 4，阴极暗电流，阴极暗电流I Idkdk=1

45、0=10-14-14A A，在室温，在室温300K300K情况下，只要阳极负载电阻情况下，只要阳极负载电阻RaRa满足下式，计算电路的噪声时就可以满足下式，计算电路的噪声时就可以只考虑散粒噪声。只考虑散粒噪声。k522KT42KaGqIR5 5、伏安特性、伏安特性4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性(1)(1)阴极伏安特性阴极伏安特性 当入射光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极电流当入射光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极电流I Ik k与与阴极和第一倍增极之间电压阴极和第一倍增极之间电压(简称为阴极电压简称为阴极电压U Uk k)的关系曲线称为的关系曲线称为阴极伏安特

46、性阴极伏安特性 当阴极电压较小时阴极电流当阴极电压较小时阴极电流I Ik k随随U Uk k的增大而增加，直到的增大而增加，直到UkUk大于一定值大于一定值(几十伏特几十伏特)后，阴极电流后，阴极电流I Ik k才趋向饱和，且与入才趋向饱和，且与入射光通量射光通量成线性关系。成线性关系。5 5、伏安特性、伏安特性4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性(2)(2)阳极伏安特性阳极伏安特性 当入射到光电倍增管上的光通量一定时，阳极电流当入射到光电倍增管上的光通量一定时，阳极电流IaIa与阳极与阳极和末级倍增极之间电压和末级倍增极之间电压(简称为阳极电压简称为阳极电压Ua)Ua)的

47、关系曲线称为阳极伏的关系曲线称为阳极伏安特性。安特性。当阳极电压增大到一定程度后，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被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集，阳极电流所收集，阳极电流IaIa与入射到阴极面与入射到阴极面上的光通量上的光通量成线性关系而与阳极电成线性关系而与阳极电压的变化无关。压的变化无关。e,aaSI 6 6、线性、线性4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性 (1)(1)内因，即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效内因，即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率等的变化，率等的变化，(2)(2)外因，光电倍增管输出信号电流在负载电

48、阻上外因，光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分配都可能破坏的压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分配都可能破坏输出信号的线性。输出信号的线性。光电倍增管的线性一般由它的阳极伏安特性表示，它是光光电倍增管的线性一般由它的阳极伏安特性表示，它是光电测量系统中的一个重要指标。线性不仅与光电倍增管的内部电测量系统中的一个重要指标。线性不仅与光电倍增管的内部结构有关，还与供电电路及信号输出电路等因素有关。结构有关，还与供电电路及信号输出电路等因素有关。7 7、疲劳与衰老、疲劳与衰老4.3 4.3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性 光电倍增管在正常使用

49、的情况下，随着工作时间的积累，灵光电倍增管在正常使用的情况下，随着工作时间的积累，灵敏度也会逐渐下降，且不能恢复，这中现象称为衰老。敏度也会逐渐下降，且不能恢复，这中现象称为衰老。在较强辐射作用下倍增管灵敏度下降的现象称为疲劳。这在较强辐射作用下倍增管灵敏度下降的现象称为疲劳。这是暂时的现象，待管子避光存放一段时间后，灵敏度将会部分是暂时的现象，待管子避光存放一段时间后，灵敏度将会部分或全部恢复过来。或全部恢复过来。1 1、电阻分压式供电电路、电阻分压式供电电路4.4 4.4 光电倍增管的供电和信号输出电路光电倍增管的供电和信号输出电路 1 1、电阻分压式供电电路、电阻分压式供电电路4.4 4

50、.4 光电倍增管的供电和信号输出电路光电倍增管的供电和信号输出电路（1)1)供电电压的极性供电电压的极性1 1、电阻分压式供电电路、电阻分压式供电电路4.4 4.4 光电倍增管的供电和信号输出电路光电倍增管的供电和信号输出电路（2)2)线性供电方式线性供电方式1 1、电阻分压式供电电路、电阻分压式供电电路4.4 4.4 光电倍增管的供电和信号输出电路光电倍增管的供电和信号输出电路（2)2)线性供电方式线性供电方式 分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但当流过分压电阻的分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但当流过分压电阻的电流电流I IR R远远大于远远大于I Ia a时，流过各分压电阻时，流过