1、第二章 光电探测器件 光电探测器件是光辐射探测器件中的一光电探测器件是光辐射探测器件中的一大类，它利用各种光电效应，使入射辐射强大类，它利用各种光电效应，使入射辐射强度转换成电学信息或电能。度转换成电学信息或电能。2-1 光电探测器基本特性 一、光电器件的探测灵敏度（响应度）一、光电器件的探测灵敏度（响应度）它定义为光电器件输出的方均根电压它定义为光电器件输出的方均根电压Us（或电（或电流流Is）与入射光通量）与入射光通量（或光功率或光功率P）之比。）之比。即即R RV V和和R RI I分别称为光电器件的电压灵敏度和电流灵敏度。分别称为光电器件的电压灵敏度和电流灵敏度。单位为单位为V/WV/
2、W和和A/WA/W。说明：测量光电器件灵敏度的光源一般选用500K的黑体。sIsVIRUR如果使用波长为如果使用波长为的单色辐射源，则称为单色的单色辐射源，则称为单色灵敏度灵敏度 （又叫光谱灵敏度），用（又叫光谱灵敏度），用R R表示。表示。如果使用复色辐射源，则称为积分灵敏度。如果使用复色辐射源，则称为积分灵敏度。)()()()()(sIVIRVR0)()()(10ddRRI式中式中0和和1分别为光电器件的短波限和长波限。分别为光电器件的短波限和长波限。p由于相对光谱响应更容易测得，因此常用相由于相对光谱响应更容易测得，因此常用相对光谱响应来表示。对光谱响应来表示。p以最大光谱响应为基准来表
3、示各波长的响应，以最大光谱响应为基准来表示各波长的响应，以峰值响应的以峰值响应的50%50%之间的波长范围定义光电器之间的波长范围定义光电器件的光谱响应宽度。得到件的光谱响应宽度。得到光电器件的相对光谱光电器件的相对光谱响应曲线。响应曲线。某型号某型号InGaAs光敏二级管的相对光谱响应光敏二级管的相对光谱响应二、响应时间和频率响应 光电器件输出的电信号都要在时间上落后于作光电器件输出的电信号都要在时间上落后于作用在其上的光信号，即光电器件的电信号输出相对用在其上的光信号，即光电器件的电信号输出相对于输入的光信号要发生沿时间轴的扩展，其扩展特于输入的光信号要发生沿时间轴的扩展，其扩展特性可由响
4、应时间来描述。性可由响应时间来描述。光电器件的这种响应落后于作用光信号的特性光电器件的这种响应落后于作用光信号的特性称为惰性，由于惰性的存在，会使先后作用的信号称为惰性，由于惰性的存在，会使先后作用的信号在输出端相互交叠，从而降低了信号的调制度。如在输出端相互交叠，从而降低了信号的调制度。如果探测器测试的是随时间快速变化的物理量，则由果探测器测试的是随时间快速变化的物理量，则由于惰性的影响会造成输出严重畸变。于惰性的影响会造成输出严重畸变。表示时间响应选择性的方法主要有两种表示时间响应选择性的方法主要有两种光电器件的脉冲时间响应特性a）探测器输入光脉冲b）探测器输出电信号（1 1）脉冲响应特性
5、法）脉冲响应特性法 用阶跃光信号作用于光用阶跃光信号作用于光电器件。电器件。p光电器件的响应从稳态值光电器件的响应从稳态值的的10%上升到上升到90%所用的时所用的时间间tr叫作器件的叫作器件的上升时间上升时间p光电器件的响应从稳态值光电器件的响应从稳态值的的90%下降到下降到10%所用的时所用的时间间tf叫器件的叫器件的下降时间下降时间。（2 2）频率响应特性）频率响应特性 通常定义光电器件的响应随入射光的调制通常定义光电器件的响应随入射光的调制频率而变化的特性为它的频率响应特性。频率而变化的特性为它的频率响应特性。2/1220)1()(RRR()器件的频率响应；器件的频率响应；R0 器件在
6、零频时的响应度；器件在零频时的响应度；=2f 信号的调制圆频率；信号的调制圆频率；F 调制频率；调制频率；器件的响应时间。器件的响应时间。当器件的输出信号功率降到零频时的一半，当器件的输出信号功率降到零频时的一半，即信号幅度下降到零频的即信号幅度下降到零频的0.707时，可得器件时，可得器件的上限截止频率的上限截止频率21cf光电器件的频率响应p实际上，截止频率和响应时间是在频域和时实际上，截止频率和响应时间是在频域和时域描述器件时间特性的两种形式。域描述器件时间特性的两种形式。三、噪声等效功率三、噪声等效功率 （NEPNEP）噪声等效功率又称为最小可测功率，它定噪声等效功率又称为最小可测功率
7、，它定义为光电器件输出的信号电压的有效值等于噪义为光电器件输出的信号电压的有效值等于噪声方均根电压值时的入射光功率声方均根电压值时的入射光功率式中，式中，Us/Un为器件输出的信噪比；为器件输出的信噪比；s s为入射为入射光功率；光功率；Rv为光电器件的电压灵敏度。为光电器件的电压灵敏度。pNEP的单位为瓦的单位为瓦(W)。p实际测量中多是测出实际测量中多是测出Rv和和Un。然后计算出。然后计算出NEP。VnnssRUUUNEP/实验发现，许多光电器件的实验发现，许多光电器件的NEP与器件的光敏与器件的光敏面积面积A和测量系统的带宽和测量系统的带宽f 的乘积的平方根成的乘积的平方根成正比。因为
8、面积大接收到的背景噪声功率也大，正比。因为面积大接收到的背景噪声功率也大，为了便于光电器件之间的性能比较，应该除去为了便于光电器件之间的性能比较，应该除去器件面积和测量带宽的影响。为此又引入归一器件面积和测量带宽的影响。为此又引入归一化噪声等效功率化噪声等效功率 NEP*2/12/1)()(*fARUfAUUNEPVnnss四、探测度四、探测度D D与比探测度与比探测度D D*噪声等效功率噪声等效功率NEP越小，光电器件的性能越越小，光电器件的性能越好。但参数好。但参数NEP不符合人们的传统认知习惯。不符合人们的传统认知习惯。为此定义为此定义NEP的倒数为光电器件的探测度。的倒数为光电器件的探
9、测度。作为衡量光电器件探测能力的一个重要指标。作为衡量光电器件探测能力的一个重要指标。探测度探测度D用公式表示为用公式表示为 D的单位是的单位是W-1。它描述的是器件在单位输入。它描述的是器件在单位输入光功率下输出的信号信噪比，光功率下输出的信号信噪比，D值越大，器值越大，器件的性能越好。件的性能越好。nvsnsURUUNEPD/1与归一化噪声等效功率相应的归一化探测度又与归一化噪声等效功率相应的归一化探测度又称为比探测度，用称为比探测度，用D*表示。表示。2/12/12/1)()(/)(*1*fAURfAUUNEPfANEPDdnvdnsd光电器件光敏面积光电器件光敏面积Ad的常用单位为的常
10、用单位为cm2。带宽。带宽f f的单的单位为位为Hz，噪声电压，噪声电压Un的单位为的单位为V，Rv的单位为的单位为V/W时，时，D*的单位为的单位为cmHz1/2W。p D*后面常附有测量条件。后面常附有测量条件。如如D*(500K，900，1)表示是用表示是用500K黑体作光源，调黑体作光源，调制频率为制频率为900Hz，测量带宽，测量带宽f 为为1Hz。p对于长波红外光电器件，因环境辐射波长与信号对于长波红外光电器件，因环境辐射波长与信号波长十分接近，因此波长十分接近，因此D*的测量与背景温度及测量视的测量与背景温度及测量视场角有关。在没有特殊标注的情况下，通常是指视场角有关。在没有特殊
11、标注的情况下，通常是指视场立体角为场立体角为2球面度，背景温度为球面度，背景温度为300K。p当光电器件的质量很高，内部噪声很低以至于可当光电器件的质量很高，内部噪声很低以至于可以忽略不计时，以忽略不计时，D*仅由背景噪声决定，这种器件称仅由背景噪声决定，这种器件称为达到背景限的探测器。为达到背景限的探测器。光谱探测度是在单位光谱功率下测得的，可以光谱探测度是在单位光谱功率下测得的，可以表示为表示为 )()()(*2/1NEPfADd五、量子效率 是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数。它是在是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数。它是在某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子
12、某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比。数之比。波长波长的光辐射的单个光子能量为的光辐射的单个光子能量为hhc/，设其光通，设其光通量为量为，则入射光子数为则入射光子数为/h，相应的光电流为，相应的光电流为Is，而每，而每秒钟产生的光电子数为秒钟产生的光电子数为Is/q，q为电子电荷，因此量子效率可为电子电荷，因此量子效率可以表示为以表示为 量子效率量子效率可以视为微观灵敏度，它是一个统计平均量，若可以视为微观灵敏度，它是一个统计平均量，若()=1()=1(理论上理论上)，则入射一个光量子就能发射一个电子或产则入射一个光量子就能发射一个电子或产生一对电子空穴对生一对电子空穴
13、对；但实际上；但实际上()通常小于通常小于1，对于有增，对于有增益的光电器件益的光电器件（如光电倍增管），常用增益或放大倍数来描（如光电倍增管），常用增益或放大倍数来描述。述。)(/)(IssRqhcqhcIhqI22 典型光电导器件光敏电阻 一、一、光敏电阻原理与结构原理与结构1 1、原理、原理光敏电阻是一种利用光电导效应制成的光电探测器件。光敏电阻是一种利用光电导效应制成的光电探测器件。q本征型光敏电阻可用来检测可见光和近红外辐射。本征型光敏电阻可用来检测可见光和近红外辐射。q非本征型（杂质型）光敏电阻可以检测红外波段甚非本征型（杂质型）光敏电阻可以检测红外波段甚至于远红外波段辐射至于远红
14、外波段辐射。2 2、结构、结构组成：它由一块涂在绝缘组成：它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引线，封和两端接有两个引线，封装在带有窗口的金属或塑装在带有窗口的金属或塑料外壳内料外壳内。光敏电阻外形图光敏电阻外形图 光敏电阻二种基本形式光敏电阻二种基本形式 （1）梳状式）梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。上一层光敏材料。如图所示。绝
15、缘基底光电导体膜 （2 2）刻线式刻线式 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。层后制成。其结构如下图所示。（3 3）涂膜式涂膜式 在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成其结构如右下图所示。（蛇型）制成其结构如右下图所示。（蛇型）光敏电阻在电路中的符号光敏电阻在电路中的符号（1 1）减电极间距可以提高增益；）减电极间距可以提高增益；（2 2）增加载流子的寿命也可提高增益。）增加载流子的寿命也可提高增益。光敏面作成蛇形，电
16、极作成梳状是因为光敏面作成蛇形，电极作成梳状是因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极间电子减小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。渡越时间，也有利于提高灵敏度。3 3、典型光敏电阻、典型光敏电阻（1）CdS：光谱响应特性最接近与人眼光谱光视效率：光谱响应特性最接近与人眼光谱光视效率V()。CdS响应峰值在响应峰值在520nm；CdSe响应峰值在响应峰值在720nm；调整；调整S和和Se的比例，可将响应峰值控制在的比例，可将响应峰值控制在520nm720nm。（2）PbS：光谱响应在近红外波段（
17、例如：光谱响应在近红外波段（例如13.5m)。（3）InSb：响应的长波长可达：响应的长波长可达7 m，峰值在，峰值在6 m附附近。用液氮冷却到近。用液氮冷却到77K时，长波限缩短到时，长波限缩短到5.5 m，峰，峰值在值在5 m附近（大气窗口）。附近（大气窗口）。（4）Hg1-xCdxTe：红外探测器中性能优良的探测器件。：红外探测器中性能优良的探测器件。长波限变化范围长波限变化范围130 m。二、光敏电阻的基本特性二、光敏电阻的基本特性 1.1.光电导灵敏度光电导灵敏度SgSg 定义为光电导定义为光电导gp与输入光照度与输入光照度E之比。之比。pppgggg ASEAgp：光电导（西门子：
18、光电导（西门子S）E：照度（勒克斯照度（勒克斯lx）：入射通量（流明：入射通量（流明lm)q灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。（材料特性）小。（材料特性）2 2、光电特性、光电特性 在恒定电压在恒定电压U下流过光敏电阻的电流下流过光敏电阻的电流Ip与作用与作用在光敏电阻上照度的在光敏电阻上照度的E的关系：的关系：ppgIg UUS ESg光电导灵敏度光电转换因子弱辐射时1强辐射时0.5CdS 光敏电阻的光照特性曲线 强光照下光电特性强光照下光电特性的分析：的分析：光照增强的同时，载流子浓度不断的增光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光
19、敏电阻的温度也在升高，从而导加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）实际使用时的光电特性曲线实际使用时的光电特性曲线(a)线性直角坐标系 (b)对数直角坐标系光敏电阻的光电特性曲线 1221lglglglgRREE 3 3、伏安特性、伏安特性 在一定的光照下，光电流在一定的光照下，光电流I与所加电压与所加电压 U的关系的关系 q 一定的光照下，一定的光照下，I与电压与电压U的关系（欧姆定律）的关系（欧姆定律）;q 相同的电压下，相同的电压下，I与光照与光
20、照E的关系的关系q 虚线为允许功耗线虚线为允许功耗线 说明：说明：（1 1）光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半）光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当电场强度超过导体，当电场强度超过 10104 4 V/cmV/cm（强光时），不（强光时），不遵守欧姆定律。遵守欧姆定律。CdSCdS例外例外 ,其伏安特性在其伏安特性在100100多伏多伏就不成线性了。就不成线性了。（2）光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，）光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积大小、散热情况有关。率又和其
21、面积大小、散热情况有关。（3）伏安特性曲线和负载线的交点即为）伏安特性曲线和负载线的交点即为 光敏电阻光敏电阻的工作点。的工作点。4 4、温度特性、温度特性 温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、光温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。照特性、响应率等都发生变化。采用冷却装采用冷却装置是提高光敏电置是提高光敏电阻灵敏度和稳定阻灵敏度和稳定性的有效办法。性的有效办法。尤其是杂质型半尤其是杂质型半导体受温度影响导体受温度影响更明显。更明显。光敏电阻的温度特性5 5、时间响应、时间响应光敏电阻的时间响应比其他光电器件要差。与入射辐射信号光敏电阻的时间响应比其他光电器
22、件要差。与入射辐射信号的强弱有关。的强弱有关。（1）弱辐射作用情况下的时间响应）弱辐射作用情况下的时间响应r定义为光敏电阻上升时间常数（达到稳态值定义为光敏电阻上升时间常数（达到稳态值Ie0的的63所需所需时间），时间），f定义为光敏电阻下降时间常数（下降到稳态值定义为光敏电阻下降时间常数（下降到稳态值Ie0的的37所需时间）所需时间）/0/0tterfeIIe（2）强辐射作用情况下的时间响应）强辐射作用情况下的时间响应当光敏电阻在被强当光敏电阻在被强辐射照射后，其阻辐射照射后，其阻值恢复到长期处于值恢复到长期处于黑暗状态的暗电阻黑暗状态的暗电阻RD所需要的时间是所需要的时间是相当长的。相当长
23、的。光敏电阻的暗电阻光敏电阻的暗电阻RD常与其检测前是常与其检测前是否被曝光有关，这否被曝光有关，这个效应角光敏电阻个效应角光敏电阻的前例效应的前例效应光敏电阻在强辐射作用情况下的时间响应光敏电阻的频率特性曲线光敏电阻的频率特性曲线6、噪声特性、噪声特性主要有热噪声产生复合噪声和低频噪声（主要有热噪声产生复合噪声和低频噪声（1/f噪声）。噪声）。噪声与调制频率的关系：噪声与调制频率的关系：（1）红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的）红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的 （2）制冷可降低热噪声）制冷可降低热噪声 （3）恰当的偏置电路，可使信噪比最大）恰当的偏置电路，可使信噪比最大 8、暗
24、电阻和暗电流、暗电阻和暗电流 光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，一般光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，一般情况下，暗电阻都大于情况下，暗电阻都大于10M兆，受光照时的阻兆，受光照时的阻值称为亮阻。暗阻与亮阻的比值也可作为衡量灵值称为亮阻。暗阻与亮阻的比值也可作为衡量灵敏度的高低，比值越大，灵敏度越高。敏度的高低，比值越大，灵敏度越高。三、光敏电阻的特点三、光敏电阻的特点 1、优点：、优点：p灵敏度高，光电导增益大于灵敏度高，光电导增益大于1，工作电，工作电 流流大，无极性之分大，无极性之分p光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的 灵灵敏度敏度p所测光强范围宽，可测
25、强光、弱光所测光强范围宽，可测强光、弱光2、不足：、不足：p强光下光电转换线性差强光下光电转换线性差p光电导弛豫时间长光电导弛豫时间长p受温度影响大受温度影响大p由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗功耗p进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应效应四、光敏电阻的电路四、光敏电阻的电路1、基本偏置电路、基本偏置电路2、恒流电路、恒流电路 20202WbeeeWpgveWpgveWvpgeUUIRUdUR S dERUuR S eRUSR SR或3、恒压电路恒压电路00ccccccecgWUEI RdUR dIR dIR
26、S U d 五、光敏电阻的应用五、光敏电阻的应用暗光亮灯控制（暗通电路）暗光亮灯控制（暗通电路）：应用举例应用举例1照明灯的光电控制电路照明灯的光电控制电路应用举例应用举例2火灾探测报警器火灾探测报警器应用举例应用举例3照相机电子快门照相机电子快门23 23 光电倍增管光电倍增管 (Photomultiplier Tube)利用利用外光电效应外光电效应和和二次电子发射二次电子发射相结相结合，把微弱的光输入转化为光电子，并使合，把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子光电子获得倍增获得倍增的一种光电探测器件。的一种光电探测器件。光电倍增管光电倍增管光电倍增管优缺点光电倍增管优缺点q放大倍数很高，用
27、于探测微弱信号；放大倍数很高，用于探测微弱信号；q光电特性的线性关系好光电特性的线性关系好；q工作频率高工作频率高；q性能稳定，使用方便性能稳定，使用方便；供电电压高；供电电压高；玻璃外壳，抗震性差；玻璃外壳，抗震性差；价格昂贵，体积大；价格昂贵，体积大；光电倍增管座光电倍增管座1、光电倍增管工作原理、光电倍增管工作原理 光电倍增管（光电倍增管（PMT）是利用外光电）是利用外光电效应制成的一种光电探测器件。其光电效应制成的一种光电探测器件。其光电转换分为转换分为光电发射光电发射和和电子倍增电子倍增两个过程。两个过程。其工作原理如下图示。其工作原理如下图示。、（一）光电倍增管工作原理及组成 原理
28、图原理图K1D2D3D4DA2 2、光电倍增管工作过程、光电倍增管工作过程光电倍增管工作过程原理图光电倍增管工作过程原理图3 3、光电倍增管组成、光电倍增管组成q光窗（光窗（Input window)q光电阴极光电阴极(Photo cathode)q电子光学系统电子光学系统q电子倍增系统电子倍增系统(Dynodes)q阳极阳极(Anode)光电倍增管组成光电倍增管组成（二）光电倍增管具体结构（二）光电倍增管具体结构 1、光电阴极、光电阴极(Photo cathode)（1）结构）结构把光电发射体镀在金属或透明材料（玻璃或石英玻把光电发射体镀在金属或透明材料（玻璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极。
29、璃）上就制成了光电阴极。（2）常用材料）常用材料：Ag-O-Cs：近红外唯一具有使用价值的阴极材料；：近红外唯一具有使用价值的阴极材料；CsSb：可见、紫外区有较高的响应率：可见、紫外区有较高的响应率;多碱光电阴多碱光电阴极极（双、三、四（双、三、四碱）；碱）；2、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聚焦电极和偏转电极光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极组成。组成。对电子光学系统的要求：对电子光学系统的要求：（1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增
30、极的有效区域内；到第一倍增极的有效区域内；（2）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍）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间尽可能一致。增极所经历的时间尽可能一致。电子光学系统3、倍增系统、倍增系统（Dynodes）q 倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各倍增极倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由二次电子发射体构成。都是由二次电子发射体构成。定义二次电子发射系数定义二次电子发射系数 n1,n2 分别为入射电子个数（一次电子个数）和出射电子个分别为入射电子个数（一次电子个数）和出射电子个数（二次电子个数），数（二次电子个数），i1,i2分别为入射电子流数（一
31、次电子分别为入射电子流数（一次电子流）和出射电子流（二次电子流）流）和出射电子流（二次电子流）q 要求：二次电子发射系数要大要求：二次电子发射系数要大 q 倍增极分类倍增极分类：非聚焦型非聚焦型只加速只加速聚聚 焦焦 型型加速聚焦加速聚焦2211nini各种倍增极的结构形式各种倍增极的结构形式 a)百叶窗式百叶窗式 b)盒栅式盒栅式 c)直瓦片式直瓦片式 d)圆瓦片式圆瓦片式倍增系统分类倍增系统分类百叶窗式百叶窗式 百叶窗式百叶窗式1D2D3D4D5D6D7D8D9DA10DK倍增系统分类倍增系统分类盒栅式盒栅式盒栅式盒栅式 K1D2D3D4D5D6D7D8D2D10D11DA倍增系统分类倍增
32、系统分类直线瓦片式直线瓦片式直线瓦片式直线瓦片式 1D2D3D4D5D6D7D8D9D10DAK倍增系统分类倍增系统分类鼠笼式鼠笼式鼠笼式鼠笼式K4D1D2D3D5D6D7D8DA倍倍 增增 极极结构形式结构形式特特 点点聚聚焦焦型型直瓦直瓦片式片式极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可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定性能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性圆瓦圆瓦片式片式结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。些。非非聚聚焦焦型型百叶百叶窗式窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测
33、弱光的倍增管，但极间电压高时，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，收集率较低，渡有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间零散较大。越时间零散较大。盒栅盒栅式式收集率较高（可达收集率较高（可达95%），结构紧凑，但），结构紧凑，但极间电子渡越时间零散较大。极间电子渡越时间零散较大。4 4、阳极、阳极 阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。一级倍增极发射出来的电子。阳极结构示意图阳极结构示意图 一次电子栅网状阳极二次电子 对阳极的要求：
34、对阳极的要求：（1）接收性能良好，尽可能多的收集电子，）接收性能良好，尽可能多的收集电子，工作在较大电流时，不至于产生空间电荷效工作在较大电流时，不至于产生空间电荷效应。应。（2）输出电容要小）输出电容要小（三）光电倍增管分类（三）光电倍增管分类p按进光方式按进光方式：侧窗式，端窗式；：侧窗式，端窗式；p电极工作方式电极工作方式：透射式，反射式；：透射式，反射式；p倍增极数目倍增极数目：单极，多极；：单极，多极；p倍增极系统结构倍增极系统结构：盒状，圆笼式，百叶窗式，：盒状，圆笼式，百叶窗式，直线瓦片式等；直线瓦片式等；p光电阴极材料光电阴极材料：CsSb、Ag-O-Cs、碱金属等、碱金属等（
35、四）光电倍增管的主要参量与特性（四）光电倍增管的主要参量与特性q光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质量好坏的基本依据。量好坏的基本依据。q基本参数（静态参数）基本参数（静态参数）q应用参数（动态参数）应用参数（动态参数）q运行特性（例行特性）运行特性（例行特性）1 1、灵敏度、灵敏度（1）阴极灵敏度）阴极灵敏度 将光电倍增管阴极电流将光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通与入射光谱辐射通量量e,之比称为之比称为阴极光谱灵敏度阴极光谱灵敏度。若入射光为白光，则以若入射光为白光，则以阴极积分灵敏度阴极积分灵敏度表表示，即将光电倍增管阴极电流示，即将光电倍增管
36、阴极电流Ik与所有入射辐与所有入射辐射波长的光谱辐射通量积分之比。射波长的光谱辐射通量积分之比。,(/)kkeISA W,0(/,/)kkeISA WA lmd（2）阳极灵敏度）阳极灵敏度 将光电倍增管阳极电流将光电倍增管阳极电流Ia与入射光谱辐射通与入射光谱辐射通量量e,之比称为之比称为阳极光谱灵敏度阳极光谱灵敏度。若入射光为白光，则以若入射光为白光，则以阳极积分灵敏度阳极积分灵敏度表示，表示，即将光电倍增管阳极电流即将光电倍增管阳极电流Ia与所有入射辐射波与所有入射辐射波长的光谱辐射通量积分之比长的光谱辐射通量积分之比,(/)aaeISA W,0(/,/)aaeISA W A lmd2、电
37、流放大倍数（增益）NG：二次电子发射系数，：二次电子发射系数，N：级数：级数aakkISGIS如果考虑电子的传输损失如果考虑电子的传输损失()NakIGf gIf为第一倍增级对阴极发射电子的收集效率，为第一倍增级对阴极发射电子的收集效率，g为各为各倍增级之间的电子传输效率。良好的电子光学设倍增级之间的电子传输效率。良好的电子光学设计可使分计可使分f、g值在值在0.9以上。以上。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。数关系，称为倍增管的光电特性。对于模拟量测量，对于模拟量测量，必须选取能保证光电必须选取能保
38、证光电流与光照在大范围内流与光照在大范围内保持线性关系的那些保持线性关系的那些型号的光电倍增管型号的光电倍增管（工程上一般取特性（工程上一般取特性偏离于直线偏离于直线3%3%作为线作为线性区的界限）。性区的界限）。某型号PMT的光电特性4、伏安特性 光电倍增管的伏安特性曲线分为阴极伏安特光电倍增管的伏安特性曲线分为阴极伏安特性曲线（阴极电流与阴极电压之间的关系）与阳性曲线（阴极电流与阴极电压之间的关系）与阳极伏安特性曲线（阳极电流与阳极和最末一级倍极伏安特性曲线（阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电压的关系）。增极之间电压的关系）。在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线在电路设计时，一般使用阳
39、极伏安特性曲线来进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。来进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。阳极伏安特性曲线5、暗电流、暗电流ID 一般指阳极暗电流。一般指阳极暗电流。在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下阳极的输出电流。它限制了可测直流光通量的最况下阳极的输出电流。它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重要因素，是鉴别管子质小值，同时也是产生噪声的重要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。引起暗电流的因素：引起暗电流的因素：p阴极和靠近于阴极的倍增极的热电子发射；阴极和
40、靠近于阴极的倍增极的热电子发射；p阳极或其它电极的漏电；阳极或其它电极的漏电；p由于极间电压过高而引起的场致发射；由于极间电压过高而引起的场致发射；p光反馈以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、光反馈以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、钍等放射性元素蜕变产生的钍等放射性元素蜕变产生的粒子，粒子，p宇宙线中的宇宙线中的介子穿过光窗时产生的契伦柯夫光子等介子穿过光窗时产生的契伦柯夫光子等6、噪声与噪声等效功率 光电倍增管噪声主要是指由倍增管本身引起的输光电倍增管噪声主要是指由倍增管本身引起的输出偏离于平均值的起伏，主要来源是光电阴极、光电出偏离于平均值的起伏，主要来源是光电阴极、光电发射的随机性
41、和各倍增极二次电子发射的随机性，同发射的随机性和各倍增极二次电子发射的随机性，同时也与背景光或信号光中的直流分量有关。时也与背景光或信号光中的直流分量有关。阳极噪声电流阳极噪声电流的有效值：的有效值：21nAAIMqGIf G电流增益，电流增益，q电子电荷，电子电荷，Ik阴极电流平均值，阴极电流平均值，f测测试系统频带宽度，试系统频带宽度，二次电子发射系数。二次电子发射系数。噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）表述倍增管阳极信号与噪表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比等于声有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即的光功率（通量）的有效值。即()
42、1nAAAnAAIIS NEPNEPIS时，（五）微变等效电路（五）微变等效电路ia阳极电流，C0等效电容，R1直流负载，R2下一级放大器的输入电阻（六）光电倍增管的应用电路（六）光电倍增管的应用电路1、供电电路、供电电路q一般情况下，各级电压均相等，约一般情况下，各级电压均相等，约8080100V100V，总电压，总电压约约10001000 1300V1300V。q对电源电压稳定性要求较高。电源电压不稳，会引起对电源电压稳定性要求较高。电源电压不稳，会引起许多参量的变化，特别是电流增益许多参量的变化，特别是电流增益G G的变化，从而直接的变化，从而直接影响输出特性。影响输出特性。倍增极的电流
43、放大倍数主要取决于倍增极材料和极间电压。倍增极的电流放大倍数主要取决于倍增极材料和极间电压。1、工作电压的微小变化使得、工作电压的微小变化使得G有明显变化有明显变化2、可通过外加工作电压调整总电流增益、可通过外加工作电压调整总电流增益GdGdVkNGVN倍增极数，倍增极数，k系数（随材料不同可取系数（随材料不同可取0.71）q电阻链分压电阻的确定：流过电阻链的电流电阻链分压电阻的确定：流过电阻链的电流I IR R至少至少要比阳极最大的平均电流要比阳极最大的平均电流I IAmAm大大1010倍以上。但倍以上。但I IR R太大会太大会加重电源负担。加重电源负担。q倍增管的输出电流主要是来自于最后
44、几级，探测脉倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，探测脉冲光时，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。冲光时，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。供电原理图供电原理图光电倍增管供电电路市售光电倍增管电源2 2、光电倍增管的接地方式、光电倍增管的接地方式q阴极接地阴极接地：便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得：便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。但这时阳极要处于正近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。但这时阳极要处于正高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整个放大器都处
45、于高电压，不利于安全操作；接直流放大器，整个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，如果后面接交流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般耐压很高的电容器体积大而且价格高。而一般耐压很高的电容器体积大而且价格高。q阳极接地：阳极接地：便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以通过一个低压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与可以通过一个低压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接。但这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能跟阴直流放大器相接。但这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能跟阴极靠得
46、很近，至少要间隔极靠得很近，至少要间隔12cm，因此屏蔽效果差一些，暗电，因此屏蔽效果差一些，暗电流和噪声都比阳极接地时大，而且整个倍增管装置的体积也要流和噪声都比阳极接地时大，而且整个倍增管装置的体积也要大些。大些。3、信号输出（1）负载电阻输出）负载电阻输出p用一只负载电阻将电流信号转化为电压信号，再连用一只负载电阻将电流信号转化为电压信号，再连接到电压放大器或电压表上。接到电压放大器或电压表上。p一般一般PMT可看作是恒流源，似乎可以用比较大负载可看作是恒流源，似乎可以用比较大负载电阻将微小电流转化为较大电压。但负载电阻过大会电阻将微小电流转化为较大电压。但负载电阻过大会使使PMT的频率
47、响应和线性变差。的频率响应和线性变差。12csLfC RPMT输出电路输出电路（2）运放输出）运放输出0fAuRi 运算放大器输出电路运算放大器输出电路输出电压输出电压PMT的等效负载的等效负载0fRRAA是运放的开环增益是运放的开环增益实际应用时考虑放大器的偏置电流实际应用时考虑放大器的偏置电流ios，则输出电压为，则输出电压为0()fAosuRii 光电倍增管的应用例子光谱探测光电倍增管的应用例子光谱探测发射光谱仪和吸收光谱仪发射光谱仪和吸收光谱仪（a）发射光谱仪原理图 （b）吸收光谱仪原理图几种新型的光电倍增管几种新型的光电倍增管（1）微通道板（）微通道板（MCP）倍增器）倍增器（2）多阳极倍增管）多阳极倍增管（3）最小的超小型光电倍增管）最小的超小型光电倍增管（不讲，自己查资料学）（不讲，自己查资料学）（关于PMT的技术资料可查阅 http:/）小结小结q光电倍增管优缺点光电倍增管优缺点q光电倍增管组成及工作原理光电倍增管组成及工作原理q光电倍增管工作过程光电倍增管工作过程q光电倍增管具体结构光电倍增管具体结构q光电倍增管使用注意要点光电倍增管使用注意要点q光电倍增管应用中注意的几个问题光电倍增管应用中注意的几个问题q几种新型的光电倍增管几种新型的光电倍增管
