1、2023-1-17光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电检测技术精品-光电光电子发射探测器子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器 第三章第三章 光电探测器光电探测器教学内容教学内容课内学时课内学时课外学时课外学时3.1 光电子发射探测器光电子发射探测器(PE)3.2 光电导探测器光电导探测器 4h4h3.3 光伏探测器光伏探测器3.3.1 光伏效应及其特性曲线光伏效应及其特性曲线 3.3.2 几种典型光伏器件几种典型光伏器件3.3.3 光伏探测器的主要特性光伏探测器的主要特性4h4h3.4 热电探测器热电探测器 3.4.1 基本原理基本原理 3.4.2 热电偶和热电堆热电偶
2、和热电堆3.4.3 测辐射热计测辐射热计(Bolometers)3.4.4热释电器件热释电器件4h4h3.5光电成像器件光电成像器件3.5.1 像管像管 3.5.2 摄像管摄像管3.5.3 CCD固体摄像器件固体摄像器件(Charge Coupled Device)3.5.4 CMOS图像传感器图像传感器3.6各类光电探测器的性能及应用比较各类光电探测器的性能及应用比较 4h8h光电检测技术精品光电子发射探测器光电发射器件是基于外光电效应的器光电发射器件是基于外光电效应的器件件(PE-Photo Emission)光电检测技术精品光电子发射探测器dynodeMicrochannel plate
3、s 光电管光电管光电倍增管光电倍增管像增强像增强管管光电检测技术精品光电子发射探测器优点优点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小缺点：缺点：结构复杂，工作电压高，体积大结构复杂，工作电压高，体积大光电发射器件的特点光电发射器件的特点 许多应用领域被性价比更高、体积小巧便于集许多应用领域被性价比更高、体积小巧便于集成的半导体光电器件所替代，但在成的半导体光电器件所替代，但在微弱光信号探测、微弱光信号探测、快速光脉冲探测快速光脉冲探测等方面仍占优势。等方面仍占优势。光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射
4、探测器一、光电阴极的主要参数一、光电阴极的主要参数1.灵敏度2.量子效率3.光谱响应4.暗电流光电检测技术精品光电子发射探测器1.灵敏灵敏度度包括光谱灵敏度与积分灵敏度。（1)光谱灵敏度 定义在单色（单一波长）辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与单色辐射通量e,之比为光电阴极的光谱灵敏度Se,。（A/W或A/W）光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器.量子效率量子效率光电检测技术精品光电子发射探测器3.光谱响应曲线光谱响应曲线 光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐光电发射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射波长的关系曲线称为光
5、谱响应。4.暗电流暗电流 光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下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获得了热能产生热电子发射热电子发射，形成暗电流。光电发射阴，形成暗电流。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，其强度相当于阴极的暗电流极低，其强度相当于10-1610-18A/cm2的电的电流密度。流密度。光电检测技术精品光电子发射探测器二、光电阴极材料二、光电阴极材料1.单碱与多碱锑化物光阴极单碱：单碱：金属锑（金属锑（Sb）与碱金属锂（）与碱金属锂（Li）、钠（）、钠（Na）、钾
6、）、钾（K）、铷）、铷(Rb)、铯（、铯（Cs）中的一种化合，能形成具有稳定）中的一种化合，能形成具有稳定光电发射的发射体。光电发射的发射体。最常用的是最常用的是锑化铯锑化铯(Cs3Sb)，其阴极灵敏度最高。长波限约，其阴极灵敏度最高。长波限约为为650nm，对红外不灵敏，广泛用于紫外和可见光区的光电，对红外不灵敏，广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。锑化铯阴极的峰值量子效率较高，探测器中。锑化铯阴极的峰值量子效率较高，一般高达一般高达20%30%，比银氧铯光电阴极高比银氧铯光电阴极高30多倍。多倍。多碱多碱：两种或三种碱金属与锑化合形成多碱锑化物光阴极。：两种或三种碱金属与锑化合形成多碱锑
7、化物光阴极。其其量子效率峰值可高达量子效率峰值可高达30%。暗电流低，光谱响应范围宽。暗电流低，光谱响应范围宽。双碱阴极双碱阴极锑钾钠（锑钾钠（Na2KSb），锑铯钾（），锑铯钾（K2CsSb）；三碱阴三碱阴极极锑钾钠铯（锑钾钠铯（NaKSb Cs）光电检测技术精品光电子发射探测器2.银氧铯与铋银氧铯光电阴极银氧铯与铋银氧铯光电阴极 银氧铯银氧铯(Ag-O-Cs)阴极是最早使用的实用光阴极。阴极是最早使用的实用光阴极。它的特它的特点是对近红外辐射灵敏。点是对近红外辐射灵敏。制作过程是先在真空玻璃壳壁上涂上制作过程是先在真空玻璃壳壁上涂上一层银膜再通入氧气，通过辉光放电使银表面氧化，对于半透一层
8、银膜再通入氧气，通过辉光放电使银表面氧化，对于半透明银膜由于基层电阻太高，不能用放电方法而用射频加热法形明银膜由于基层电阻太高，不能用放电方法而用射频加热法形成氧化银膜，再引入铯蒸汽进行敏化处理，形成成氧化银膜，再引入铯蒸汽进行敏化处理，形成Ag-O-Cs薄膜。薄膜。银氧铯光电阴极的光谱响应有两个峰值，一个在银氧铯光电阴极的光谱响应有两个峰值，一个在350 nm处，处，一个在一个在800 nm处。光谱范围在处。光谱范围在300 nm到到1200 nm之间。量子效之间。量子效率不高，峰值处约率不高，峰值处约0.5%1%左右。左右。银氧铯使用温度可达银氧铯使用温度可达100，但暗电流较大，且随温度
9、变，但暗电流较大，且随温度变化较快。化较快。光电检测技术精品光电子发射探测器 将近红外区具有高灵敏度的将近红外区具有高灵敏度的Ag-O-Cs阴极和蓝光阴极和蓝光区具有高灵敏度的区具有高灵敏度的Bi-Cs-O阴极相结合，可以获得在阴极相结合，可以获得在整个可见光谱内有较均匀响应和高灵敏度的铋银氧铯整个可见光谱内有较均匀响应和高灵敏度的铋银氧铯光电阴极。光电阴极。铋银氧铯光电阴极制作方法很多，四种元素可以铋银氧铯光电阴极制作方法很多，四种元素可以有不同的结合次序，如有不同的结合次序，如Bi-Ag-O-Cs,Bi-O-Ag-Cs,Ag-Bi-O-Cs等。等。量子效率可达量子效率可达10，约为约为Cs
10、3Sb光电阴极光电阴极的一半，其优点是的一半，其优点是光谱响应与人眼相匹配光谱响应与人眼相匹配。光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器3.紫外光电阴极紫外光电阴极 通常来说，对可见光灵敏的光电阴极对紫外光也有较高的量子效率。有时，为了消除背景辐射的影响，要求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”（solar blind）型光电阴极。目前，比较实用的“日盲”型光电阴极有碲化铯(CsTe,c320nm)和碘化铯(CsI,c 200nm)，日盲型光电倍增管是一种装置于空间卫星上进行紫外辐射探测，以及应
11、用在原子分光光度计和核酸蛋白检测仪上进行紫外光谱检测的光电转换器件。光电检测技术精品光电子发射探测器4.负电子亲和势（负电子亲和势（NEA:Negative Electro-affinity）光电阴）光电阴极极常规的光电阴极属于正电子亲和势(PEA)类型，即表面的真空能级位于导带之上。如果给半导体(-族)的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，这种能带弯曲势必影响导带中电子逸出所需的能量，也就改变了光电逸出功。经过特殊处理的阴极称作负电子亲和势负电子亲和势(NEA)光电阴极光电阴极.光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探
12、测器特点：特点：1.高吸收，低反射性质；2.高量子效率，50%60%,长波到达9%;3.光谱响应可以达到1m以上；4.冷电子发射光谱能量分布较集中，比较平坦5.暗电流小；6.在可见、红外区，能获得高响应度；7.工艺复杂，售价昂贵。乔建良；常本康；钱芸生等，负电子亲和势GaN光电阴极光谱响应特性研究，物理学报2010年05期 光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器一、光电管一、光电管 光电管分为光电管分为真空光电管和充气光电管真空光电管和充气光电管。真空光。真空光电管主要由光电阴极和阳极两部分组成，因管内常电管主要由光电阴极和阳极两部分组
13、成，因管内常被抽成真空而称为真空光电管。然而，有时为了使被抽成真空而称为真空光电管。然而，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某种性能提高，在管壳内也充入某些低气压惰性气体形成充气型的光电管。无论真空型还是充气型均体形成充气型的光电管。无论真空型还是充气型均属于光电发射型器件，称为光电管。属于光电发射型器件，称为光电管。光电检测技术精品光电子发射探测器或充气光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器优点：优点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达达20200A/lm；暗电流小，最低可达暗电流小，最低可
14、达10-14A；光电发射弛豫过程极短光电发射弛豫过程极短光电检测技术精品光电子发射探测器二、像增强管（像管）二、像增强管（像管）由安装在高真空管壳内的光电阴极、电子透镜（有静电聚焦和磁聚焦两种）由安装在高真空管壳内的光电阴极、电子透镜（有静电聚焦和磁聚焦两种）和荧光屏三部分组成。它的工作原理是将投射在光阴极上的光学图像转变成和荧光屏三部分组成。它的工作原理是将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像，电子透镜将电子像聚焦并加速投射到荧光屏上产生增强的像，然后电子像，电子透镜将电子像聚焦并加速投射到荧光屏上产生增强的像，然后用照相方法记录下来。用照相方法记录下来。主要用作夜视仪，目前已发展到第四代主
15、要用作夜视仪，目前已发展到第四代光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器1.工作原理：工作原理：（1）光子透过）光子透过入射窗口入射窗口入射在入射在光电阴极光电阴极上上;（2）光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中）光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中;（3）光电子通过电场加速和）光电子通过电场加速和电子光学系统电子光学系统聚焦入射到第一聚焦入射到第一倍增倍增级级上，倍增级将发射出比入射电子数目更多的上，倍增级将发射出比入射电子数目更多的二次电子二次电子
16、。入射电。入射电子经子经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次；次；（4）经过倍增后的二次电子由）经过倍增后的二次电子由阳极阳极收集，形成阳极光电流。收集，形成阳极光电流。光电检测技术精品光电子发射探测器2.光电倍增管的基本组成光电倍增管的基本组成（1）光窗）光窗侧窗型（侧窗型（sideon）:从侧面接收入射光。从侧面接收入射光。l使用使用不透明光阴极（反射式光阴极）不透明光阴极（反射式光阴极）和和环形聚焦型环形聚焦型电子电子倍增极结构，这种结构能够使其在较低的工作电压下具有倍增极结构，这种结构能够使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。较高的灵敏度。l单价比较便宜（一
17、般数百元单价比较便宜（一般数百元/只），在分光光度计、旋光只），在分光光度计、旋光仪和常规光度测定方面具有广泛的应用。仪和常规光度测定方面具有广泛的应用。端窗型（端窗型（headon）：）：也称也称顶窗型顶窗型，从顶部接收入射光。，从顶部接收入射光。l在其入射窗的内表面上沉积了在其入射窗的内表面上沉积了半透明的光阴极（透过式半透明的光阴极（透过式光阴极），光阴极），这使其具有优于侧窗型的均匀性。这使其具有优于侧窗型的均匀性。l其价格一般在千元以上。现在还出现其价格一般在千元以上。现在还出现了针对高能物理实验用的可以广角度捕了针对高能物理实验用的可以广角度捕获入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管
18、。获入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。结结构构分分类类光电检测技术精品光电子发射探测器光窗是入射光的通道，同时也是对光吸收较多的部分。因为玻璃对光的吸收与波长有关，波长越短吸收的越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。设计时根据透过波长的要求来选用。常采用的窗口材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔石英玻璃和氟化镁玻璃。材材料料分分类类光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器（2）光电阴极）光电阴极主要决定倍增管光谱特性的长波阈值。W为逸出功为逸出功（量子效率较高）（量子效率较高）两种工作模式下两种工作模式下量子效率相差较量子效率相差较大的主要影响因大的主
19、要影响因素是素是后界面复合后界面复合速率和材料厚度速率和材料厚度 光电检测技术精品光电子发射探测器（3）电子光学系统）电子光学系统通过适当设计的电极结构，使前一级发射出来的通过适当设计的电极结构，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使是使下一级的收集率接近于下一级的收集率接近于1；使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即所经历的时间尽可能相同，即渡越时间离散最小渡越时间离散最小。光电检测技术精品光电子发射探测器（4）倍增系统）倍增系统二次电子发射：具有一
20、定能量的电子入射到倍增极后，将激发二次电子，一般产生的二次电子数N2大于入射电子数N1，这种现象称为二次电子发射，通常用二次发射系数（倍增系数）定义：N2/N1（a）倍增极材料）倍增极材料一般，光电发射性能良好的阴极材料也是良好的二次发射体光电检测技术精品光电子发射探测器 锑化铯（CsSb）材料具有很好的二次电子发射功能，它可以在较低的电压下产生较高的发射系数，电压高于400V时的值可高达10倍。氧化的银镁合金材料也具有二次电子发射功能，它与锑化铯相比二次电子发射能力稍差些，但它可以工作在较强电流和较高的温度（150）。铜-铍合金（铍的含量为2%）材料的发射系数比银镁合金更低些。负电子亲和势材
21、料GaPCs，具有更高的二次电子发射功能，在电压为1000V时，倍增系数可大于50或高达200。光电检测技术精品光电子发射探测器（b）倍增极结构倍增极结构非聚焦型非聚焦型：倍增极间的电子束是平行的。：倍增极间的电子束是平行的。百叶窗型百叶窗型（图（图a）盒栅式盒栅式（图（图b）聚焦型聚焦型：倍增极间电子束轨迹在两电极间有交叉；：倍增极间电子束轨迹在两电极间有交叉；瓦片静电（直列）聚焦型瓦片静电（直列）聚焦型（图（图c）圆形鼠笼式圆形鼠笼式（图（图d）光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器e.e.细网型：细网型：该结构有封闭的精密组合网状倍增级，因而具有极强该结构有封闭
22、的精密组合网状倍增级，因而具有极强的抗磁性、一致性和脉冲线性输出特性。另外，在使用交叠阳极的抗磁性、一致性和脉冲线性输出特性。另外，在使用交叠阳极或多极结构输出的情况下，还具有位置灵敏的特性。或多极结构输出的情况下，还具有位置灵敏的特性。f.f.微通道板（微通道板（MCPMCP）型）型 ：是将上百万的微小玻璃管（通道）彼此是将上百万的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成为薄形盘片状而形成的。这种结构的每个通道都是一平行地集成为薄形盘片状而形成的。这种结构的每个通道都是一个独立的电子倍增器。个独立的电子倍增器。MCPMCP比任何分离电极的倍增极结构都具有超比任何分离电极的倍增极结构都具有超快的时间响
23、应，并且当采用多阳极输出结构时，这种结构的光电快的时间响应，并且当采用多阳极输出结构时，这种结构的光电倍增管在磁场中仍具有良好的一致性和极强的二维探测能力。倍增管在磁场中仍具有良好的一致性和极强的二维探测能力。g.g.金属通道型：金属通道型：是滨松公司采用独有的机械加工技术所创造的紧是滨松公司采用独有的机械加工技术所创造的紧凑型阳极结构，其各个倍增极之间的狭窄通道空间特性使其比任凑型阳极结构，其各个倍增极之间的狭窄通道空间特性使其比任何常规结构的光电倍增管都具有更快的时间响应速度。金属通道何常规结构的光电倍增管都具有更快的时间响应速度。金属通道型光电倍增管适用于位置灵敏度要求比较高的探测方面。
24、型光电倍增管适用于位置灵敏度要求比较高的探测方面。h.h.混合型：混合型：将上述结构中的两种结构相互混合而形成的复合型结将上述结构中的两种结构相互混合而形成的复合型结构。混合结构的倍增极一般都可以发挥各自的优势。构。混合结构的倍增极一般都可以发挥各自的优势。光电检测技术精品光电子发射探测器聚焦：响应快，高速，但均匀性较差聚焦：响应快，高速，但均匀性较差非聚焦：响应不及聚焦型，但均匀性好，收集效率高非聚焦：响应不及聚焦型，但均匀性好，收集效率高光电检测技术精品光电子发射探测器（5）阳极 阳极作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输出倍增后的电流。要求：具有较高的电子收集率（多采用栅
25、网状结构）；能承受较大的电流密度；并且在阳极附近的空间不至于产生空间电荷效应。空间电荷限制电流空间电荷限制电流 光电检测技术精品光电子发射探测器1 1、阴极灵敏度、阴极灵敏度 阴极光谱灵敏度阴极光谱灵敏度：阴极电流：阴极电流IK与入射单色辐射通量之比。与入射单色辐射通量之比。阴极积分灵敏度阴极积分灵敏度：IK与光谱辐射总通量的积分之比。与光谱辐射总通量的积分之比。光电检测技术精品光电子发射探测器GV+HVEK10-510-2 lm阴极积分灵敏度的测量阴极积分灵敏度的测量 测试积分灵敏度所用的光源，多为标准A光源（色温2856K的白炽钨丝灯）。测量时以光电阴极为一极，K和地之间接检流计，阳极与其
26、它各电极连在一起为另一级，在其间加100300V的电压。照在阴极上的光通量大致选在 10-510-2 lm量级。A光电检测技术精品光电子发射探测器阳极光谱灵敏度：阳极输出电流阳极光谱灵敏度：阳极输出电流I IA A与入射单色辐射通量之比。与入射单色辐射通量之比。阳极积分灵敏度：阳极积分灵敏度：阳极输出电流阳极输出电流IA与入射辐射通量之比。与入射辐射通量之比。光电检测技术精品光电子发射探测器GVHVEK10-1010-6 lm阳极积分灵敏度的测量阳极积分灵敏度的测量 A测量时光电阴极K与HV短路，阳极A和地之间接检流计。光电检测技术精品光电子发射探测器3.3.电流放大倍数电流放大倍数(增益增益
27、)在一定工作电压下，电流增益就是光电倍增管在一定工作电压下，电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流的阳极输出电流IA与阴极电流与阴极电流IK的比值。的比值。（1）光电检测技术精品光电子发射探测器当考虑到光电阴极发射出的电子被第当考虑到光电阴极发射出的电子被第1倍增极所收集，倍增极所收集，其收集系数为其收集系数为f f，且每个倍增极都存在收集系数，且每个倍增极都存在收集系数g g，则，则增益增益G修正为：修正为：理想情况下，具有理想情况下，具有n个倍增极，每个倍增极的平均二个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射率为次电子发射率为的电流增益为：的电流增益为：（2）（3）对于非聚焦型光电倍增管，对于非
28、聚焦型光电倍增管，f f近似为近似为90%，g g要高于要高于f f，但小于但小于1；对于聚焦型的，尤其是在阴极与第；对于聚焦型的，尤其是在阴极与第1倍增极之间倍增极之间具有电子限束电极具有电子限束电极F的倍增管，其的倍增管，其fg fg 1，可以用式，可以用式（2）计算增益）计算增益G。光电检测技术精品光电子发射探测器倍增极的二次电子发射系数倍增极的二次电子发射系数可用经验公式计算，可用经验公式计算，对于锑化铯（对于锑化铯（Cs3Sb）倍增极材料有经验公式：）倍增极材料有经验公式：（4）对氧化的银镁合金对氧化的银镁合金(AgMgOCs）材料有经验公式）材料有经验公式代入（代入（2）式，得）式
29、，得（5）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（6）（7）光电检测技术精品光电子发射探测器4.4.暗电流暗电流 光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为为ID。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是很小的，一。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是很小的，一般为般为10-1610-10A，是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。影响暗电流的主要因素：影响暗电流的主要因素：光电检测技术精品光电子发射探测器（2）热发射 由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易
30、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。正常工作时，它是暗电流的主要成份 降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法。光电检测技术精品光电子发射探测器（3 3）残余气体放电）残余气体放电 光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，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。这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。（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
31、棱角的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也将下降。电流也将下降。（5 5）玻璃壳放电和玻璃荧光）玻璃壳放电和玻璃荧光 当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间的电当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间的电场很强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极电场最强。在强电场很强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极电场最强。在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，放电和荧光都要引场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，放电和荧光都要引起暗电流，而
32、且还将严重破坏信号。因此，在阴极为负高压应用时起暗电流，而且还将严重破坏信号。因此，在阴极为负高压应用时屏蔽壳与玻璃管壁之间的距离至少为屏蔽壳与玻璃管壁之间的距离至少为1020mm1020mm。光电检测技术精品光电子发射探测器暗电流温度特性暗电流温度特性暗电流与电源电压关系暗电流与电源电压关系光电检测技术精品光电子发射探测器减小暗电流的方法直流补偿在倍增管阳极输出回路中加上在倍增管阳极输出回路中加上与暗电流方向相反的直流成份与暗电流方向相反的直流成份致冷电磁屏蔽法磁场散焦法PMTVCIb选频和锁相放大入射光调制，信号输出选频滤掉直流，入射光调制，信号输出选频滤掉直流，锁相放大提高信噪比锁相放大
33、提高信噪比将倍增管装在高导磁率的金属圆筒中，防止周围磁场干扰将倍增管装在高导磁率的金属圆筒中，防止周围磁场干扰合理利用磁场将阴极边缘暗电流的电子散射掉合理利用磁场将阴极边缘暗电流的电子散射掉降低热发射电子降低热发射电子光电检测技术精品光电子发射探测器5.噪声及最小可探测功率ENI散粒噪声闪烁噪声电阻热噪声 光电倍增管的噪声主要由器件本身的散粒噪声、闪烁噪声和负载电阻的热噪声组成。散粒噪声主要由暗电流散粒噪声主要由暗电流Id，背，背景辐射电流景辐射电流Ib以及信号电流以及信号电流Is的散粒效应所引起。的散粒效应所引起。由光电阴极发射的偶然起伏和倍增极材料的变化由光电阴极发射的偶然起伏和倍增极材料
34、的变化引起，是一种引起，是一种1/f噪声（低频噪声）。噪声（低频噪声）。光电检测技术精品光电子发射探测器总噪声电流为 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 设光电倍增管的增益G=104，暗电流Ia=10-14A，在室温300K情况下，只要阳极负载电阻Ra满足 即可达到实际应用中，阳极电流常为微安级，为使阳极得到适当的输出电压，阳极电阻总要大于52k光电检测技术精品光电子发射探测器由由光电检测技术精品光电子发射探测器6.伏安特性（）阴极伏安特性 当入射光通量一定时，阴极光电流Ik与阴极和第一倍增极之间的电压Uk（阴极电压）的关系。（2）阳极伏安特性 当入射光通量一定时
35、，阳极电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压(阳极电压Ua)的关系。图为3组不同强度的光通量的伏安特性。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所收集，阳极电流Ia与入射到阴极面上的光通量成线性关系而与阳极电压的变化无关。光电检测技术精品光电子发射探测器7.线性造成非线性的原因:内因空间电荷、光电阴极的电阻率、聚集或收集率的变化；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输出信号的线性（分压器效应）。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结构有关，还与供电电路及
36、信号输出电路等因素有关。参考文献：刘君红;刘俊勇;管兴胤，光电倍增管线性特性、时间特性参数调试，核电子学与探测技术2005/06 光电检测技术精品光电子发射探测器8.稳定性 稳定性是指阳极电流随工作时间的变化，它在闪烁记数和光度测量中显得很重要。（）灵敏度的慢漂移不稳定性主要表现在：慢漂移主要是由于最后几级倍增极在大量电子轰击下受损，引起二次发射系数变化。光电检测技术精品光电子发射探测器（2）滞后效应（Hysteresis）在光电倍增管加上高压或开始光照的短时间内（几秒或几十秒），阳极输出电流存在短暂的不稳定，这种现象称为滞后效应。主要由于电子偏离设计的轨迹及倍增极的陶瓷支架和玻壳等静电作用引
37、起的。IiIminImax滞后系数无光照持续1分钟重新光照后1分钟内的最大值重新光照后1分钟内的最小值阳极正常输出电流光电检测技术精品光电子发射探测器灵敏度的两种变化：（1）老化：不可逆。光电倍增管的残余气体与光电阴极作用，玻璃中的Na离子掺入光电阴极而使灵敏度下降；长期使用过程中二次发射材料的过载也产生同样的结果。（2）疲劳：可逆。同阳极电流、倍增极材料以及使用前的存放条件有关。如将使用一段时间后，灵敏度有所下降的倍增管在黑暗中放置几小时，灵敏度又可恢复到原来状态。减小阳极电流会显著减弱疲劳现象。光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器10.磁场特性 大部分光电倍增管
38、都会受到周围磁场环境的影响。光电子大部分光电倍增管都会受到周围磁场环境的影响。光电子在磁场作用下将会产生运动轨迹的偏移，引起光电灵敏度下降，在磁场作用下将会产生运动轨迹的偏移，引起光电灵敏度下降，噪声增加。一般在管外套一个磁屏蔽筒。噪声增加。一般在管外套一个磁屏蔽筒。光电检测技术精品光电子发射探测器三、光电倍增管的供电电路和信号输出 光电倍增管的供电电路种类很多，可根据应用情况设计出各光电倍增管的供电电路种类很多，可根据应用情况设计出各具特色的供电电路。这里介绍最常用的具特色的供电电路。这里介绍最常用的电阻链分压式供电电路电阻链分压式供电电路。如图所示为光电倍增管的典型电阻分压式供电电路。电路
39、如图所示为光电倍增管的典型电阻分压式供电电路。电路由由1111个电阻构成电阻链分压器，分别向个电阻构成电阻链分压器，分别向1010级倍增极提供电压级倍增极提供电压U Ubbbb。光电检测技术精品光电子发射探测器1、电阻链的设计 考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流IA最大。因此，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当流过分压电阻的电流IR远远大于IA时，即IR IA时，流过各分压电阻Ri的电流近似相等。工程上常设计IR大于等于10倍的IA电流。IR10IA选择的太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高导致性能的降低，以至于温升太高而
40、无法工作。光电检测技术精品光电子发射探测器选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R 从而可以算出各分压电阻Ri。考虑到阴极到第一级倍增极之间的距离光电检测技术精品光电子发射探测器2.2.电源电压和极间电压电源电压和极间电压 极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数，或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设计出极间供电电压UDD。由可以计算出UDD。锑化铯倍增极 银镁合金倍增极 光电检测技术精品光电子发射探测器供电电压的极性阳极接地负高压供电：阳极接地负高压供电：阳极信号输出方便，可以交直流输出。但由于阴极处于负高压，因屏蔽罩都是与机壳相连接地的，所以光、磁、电的屏蔽罩不能跟阴极靠的
41、很近，至少间隔12cm，使倍增管尺寸变大，同时阳极输出暗电流和噪声较大。阴极接地的正高压供电：阴极接地的正高压供电：光、磁、电的屏蔽罩能跟阴极靠的很近，屏蔽效果好，可以得到较低的暗电流和噪声。但阳极处于正高压会导致寄生电容增大，匹配电缆连接复杂，阳极信号输出必须通过耐高压、噪声小的隔直流电容器，因此只能输出交流信号。光电检测技术精品光电子发射探测器GKPR1R2R3R4R5R7R6负高压负高压DC输出电路输出电路负高压脉冲输出电路负高压脉冲输出电路GKPR1R2R3R4R5R7R6光电检测技术精品光电子发射探测器 对上两式进行微分，并用增量形式表示，可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳
42、定度的关系 对锑化铯倍增极 对银镁合金倍增极 由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkvRL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关 光电检测技术精品光电子发射探测器 当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。电容C1、C2与C3的计算公式为 式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，为脉冲的持续时间，UDD为极间电压，L为增益稳定度的百分数。或锑化铯银镁合金光电检测技术精品光电子发射探测器5.信号输出 光电倍增管输出一个电流信号，而与其
43、相联的后续电路，一般是基于电压信号而设计的，因此，常用一个负载电阻来完成电流-电压的转换。在此，我们来研究一下负载电阻的选取。由于光电倍增管输出电流很小，而且实际上常常将其看作一个恒流源，因此，一般认为负载电阻可以任意大地选取，从而从一个较低的电流信号，得到一个很高的电压信号。但是实际上，较大的负载电阻会导致频率响应和输出线性的恶化。光电检测技术精品光电子发射探测器若负载电阻为RL，光电倍增管阳极和其它电极之间的静电电容量以及由于布线等引起的杂散电容量的总和为Cs，则截止频率fc：上式可以看到，尽管光电倍增管和放大器有极快的响应时间，输出线路响应也将受到截止频率fc的限制。如果负载电阻RL值较
44、高，在较高输出电流情况下，负载电阻将导致阳极电位电压降增大，造成阳极-末倍增极电压降低，从而降低了输出线性（输出电流与入射光的比例关系）。光电检测技术精品光电子发射探测器光电检测技术精品光电子发射探测器The multi-anode position sensitive photomultiplier tube(PSPMT)参考文献：赵翠兰等，多阳极位置灵敏光电倍增管位置读出电路的设计实现，原子核物理评论,2010年01期光电检测技术精品光电子发射探测器四.光电倍增管的应用 光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流低和噪声，还能够在很大范围内调整内增益。因此，它在微光探
45、测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。光电检测技术精品光电子发射探测器（2 2）原子吸收分光光度计）原子吸收分光光度计 广泛地应用于微量金属元素的分析。对应于分析的各种元素，需要专用的元素灯，照射燃烧并雾化分离成原子状态的被测物质上，用光电倍增管检测光被吸收的强度，并与预先得到的标准样品比较。1、光谱学光谱学（1 1）紫外）紫外/可见可见/近红外分光光度计近红外分光光度计-光吸收原理光吸收原理 光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分能量，称为吸收。利用吸收进行定量分析:为确定样品物质的量，采用连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度，即可得
46、到被测物质吸收程度，计算出物质的量。光电检测技术精品光电子发射探测器（3 3）发光分光光度计）发光分光光度计利用发光原理 样品接受外部照射光的能量会产生发光，利用单色器将这种光的特征光谱线显示出来，用光电倍增管探测出特征光谱线是否存在及其强度。这种方法可以迅速地定性或定量地检查出样品中的元素。光电检测技术精品光电子发射探测器（4 4）荧光分光光度计）荧光分光光度计 荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物学原理。物质受到光照射，发射长波的发光，这种光称为荧光。用光电倍增管检测荧光的强度及光谱特性，可以定性或定量地分析样品成份。（5 5）拉曼分光光度计）拉曼分光光度计 用单色光照射物质后被散射
47、，这种散射光中，只有物质特有量的不同波长光混合在里面。这种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物质进行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要复杂的光路系统，并且采用单光子计数法。光电检测技术精品光电子发射探测器2.2.质量光谱学与固体表面分析质量光谱学与固体表面分析 固体表面分析 固体表面的成分和结构，可以用极细的电子、离子、光或X射线的束流，入射到物质表面，对表面发出的电子、离子、X射线等进行测定来分析。这种技术在半导体工业领域被用于半导体的检查中，如缺陷、表面分析、吸附等。电子、离子、X射线一般采用电子倍增器或MCP来测定。光电检测技术精品光电子发射探测器3.3.环境监测环境监
48、测（1 1）尘埃粒子计数器）尘埃粒子计数器 尘埃粒子计数器检测大气或室内环境中悬浮的粉尘或粒子的密度。它利用了尘埃粒子对光的散乱或射线的吸收原理。（2 2）浊度计）浊度计 当液体中有悬浮粒子时，入射光会粒子被吸收、折射。对人的眼睛来看是模糊的，而浊度计正是利用了光的透过折射和散射原理，并用数据来表示的装置。光电检测技术精品光电子发射探测器4.4.生物技术生物技术（1 1）细胞分类）细胞分类 细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后，用激光照射，细胞的荧光、散乱光用光电倍增管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置。（2 2）荧光计）荧光计 细胞分类的最终目的是分离细胞，为此，有一种用于对细胞、化学物质
49、进行解析的装置，它称为荧光计。它对细胞、染色体发出的荧光、散乱光的荧光光谱、量子效率、偏光、寿命等进行测定。光电检测技术精品光电子发射探测器5.5.医疗应用医疗应用（1）相机相机 将放射性同位素标定试剂注入病人体内，通过相机可以得到断层图象，来判别病灶。从闪烁扫描器开始，经逐步改良，相机的性能得到快速的发展。光电倍增管通过光导和大面积NaI（Tl）组合成探测器。（2）正电子）正电子CT 放射线同位素（C11、O15、N18、F18等）标识的试剂投入病人体内，发射出的正电子同体内结合时，放出淬灭线，用光电倍增管进行计数，用计算机作成体内正电子同位素分布的断层画面，这种装置称为正电子CT。光电检测
50、技术精品光电子发射探测器（3 3）液体闪烁计数）液体闪烁计数 液体闪烁计数应用于年代分析和生物化学等领域。将含有放射性同位素物质溶于有机闪烁体内，并置于两个光电倍增管之间，两个光电倍增管同时检测有机闪烁体的发光。（4 4）临床检查）临床检查 通过对血液、尿液中微量的胰岛素、激素、残留药物及病毒等对于抗原、抗体的作用特性，进行临床身体检查、诊断治疗效果等。光电倍增管对被同位素、酶、荧光、化学发光、生物发光物质等标识的抗原体的量进行化学测定。光电检测技术精品光电子发射探测器6.6.射线测定射线测定（1 1）区域检测仪）区域检测仪 可以连续地检测环境辐射水平。它采用光电倍增管与闪烁体组合的方式，完成
