1、光電發射器件是基于外光電效應的器件，包括真空光電二極管，光電倍增管，變像管，像增強管和真空電子束攝像管等器件。第4章 光電發射器件 真空光電器件光電倍增管光電管缺點：結構復雜，工作電壓高，體積大優點：靈敏度高，穩定性能好，響應速度快和噪聲小微弱輻射的探測微弱輻射的探測和和快速弱輻射脈沖信息的捕捉快速弱輻射脈沖信息的捕捉 4.1 光電發射陰極 光電發射陰極是光電發射器件的重要部件，它是吸收光子能量發射光電子的部件。它的性能直接影響著整個光電發射器件的性能，為此，首先討論用于制造光電陰極的典型光電發射材料。 4.1.1 4.1.1 光電發射陰極的主要參數光電發射陰極的主要參數 定義在單色（單一波長

2、）輻射作用于光電陰極時，光電陰極輸出電流Ik與單色輻射通量e,之比為光電陰極的光譜靈敏度Se,。主要特性參數：靈敏度、量子效率、光譜響應和暗電流等。1. 靈敏度光譜靈敏度與積分靈敏度兩種。其量綱為A/W或A/W(1) 光譜靈敏度Se,=Ik/e, 定義在某波長范圍內的積分輻射作用于光電陰極時，光電陰極輸出電流Ik與入射輻射通量e之比為光電陰極的積分靈敏度Se。0e,kedIS量綱為mA/W或A/W (2) 積分靈敏度 在可見光波長范圍內的“白光”作用于光電陰極時，光電陰極電流Ik與入射光通量v之比為光電陰極的白光靈敏度Sv。k780v,380dvIS量綱為mA/lm。 2.量子效率 定義在單色

3、輻射作用于光電陰極時，光電陰極發射單位時間發射出去的光電子數Ne,與入射的光子數之比為光電陰極的量子效率（或稱量子產額）。即 。 p,e,NN 量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法。它們之間的關系為 e,e,e,k1240qhc/q/SShI 3. 光譜響應 光電發射陰極的光譜響應特性用光譜響應特性曲光電發射陰極的光譜響應特性用光譜響應特性曲線描述。光電發射陰極的光譜靈敏度或量子效率與入線描述。光電發射陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關系曲線稱為光譜響應。射輻射波長的關系曲線稱為光譜響應。 4. 暗電流 光電發射陰極中少數處于較高能級的電子在室溫下光電發射陰極中少數處于較高

4、能級的電子在室溫下獲得了熱能產生熱電子發射，形成暗電流。光電發射陰獲得了熱能產生熱電子發射，形成暗電流。光電發射陰極的暗電流與材料的光電發射閾值有關。一般光電發射極的暗電流與材料的光電發射閾值有關。一般光電發射陰極的暗電流極低，其強度相當于陰極的暗電流極低，其強度相當于10-1610-18Acm-2的電的電流密度。流密度。 4.1.2 光電陰極材料 銻銫(Cs3Sb)光電陰極是最常用的，量子效率很高的光電陰極。長波限約為650nm，對紅外不靈敏。 銀氧銫(Ag-O-Cs)陰極是最早使用的高效光陰極。它的特點是對近紅外輻射靈敏。 銀氧銫光電陰極的相對光譜響應曲線畫它有兩個峰值，一個在350 nm

5、處，一個在800 nm處。光譜范圍在300 nm到1200 nm之間。量子效率不高，峰值處約0.5%1%左右。銀氧銫使用溫度可達100，但暗電流較大，且隨溫度變化較快。 4.2 真空光電管與光電倍增管的工作原理 4.2.1 真空光電管的原理真空光電管的原理1.結構玻璃管殼、光電陰極和陽極三部分組成。（1）、真空型光電管的工作原理當入射光透過真空型光電管的入射窗照射到光電陰極面上時，光電子就從陰極發射出去，在陰極和陽極之間形成的電場作用下，光電子在極間作加速運動，被高電位的陽極收集，其光電流的大小主要由陰極靈敏度和入射輻射的強度決定。 （ 2）、充氣型光電管的工作原理光生電子在電場的作用下運動，

6、途中與惰性氣體原子碰撞而電離，電離又產生新的電子，它與光電子一起都被陽極收集，形成數倍于真空型光電管的光電流 。.工作原理缺點：體積較大、工作電壓高達數百伏，玻璃管殼容易碎優點：光電陰極面積大、靈敏度高，一般積分靈敏度可達20200A/lm、暗電流小，最低可達，光電弛豫時間極短。 4.2.2 4.2.2 光電倍增管的原理光電倍增管的原理 光電倍增管（Photo-multiple tube簡稱為PMT）是一種真空光電發射器件，組成如下：光入射窗光入射窗光電陰極光電陰極電子光學系統電子光學系統倍增極倍增極陽極陽極.基本原理（）光子透過入射窗口入射到光電陰極；光子透過入射窗口入射到光電陰極；（）光電

7、陰極上的電子受光子激發，離開表面發射到真空中；光電陰極上的電子受光子激發，離開表面發射到真空中；（）光電子通過電場加速和電子光學系統聚焦入射到第一光電子通過電場加速和電子光學系統聚焦入射到第一倍增級上，倍增級將發射出比入射電子數目更多的二次電子。倍增級上，倍增級將發射出比入射電子數目更多的二次電子。入射電子經級倍增后，光電子就放大次；入射電子經級倍增后，光電子就放大次；（）經過倍增后的二次電子被陽極收集，形成陽極電流。經過倍增后的二次電子被陽極收集，形成陽極電流。端窗式的陰極做成半球狀？陰極做成半球狀？. 光電倍增管的結構光電倍增管的結構（）PMT的入射窗結構端窗式、側窗式a:陰極面各處的靈敏

8、度均勻，受光面均勻；陰極面各處的靈敏度均勻，受光面均勻；b:球面形狀的陰極面所發出的電子經電子光學系統匯聚球面形狀的陰極面所發出的電子經電子光學系統匯聚到第一倍增極的時間散差最小，光電子能有效的被收集到第一倍增極的時間散差最小，光電子能有效的被收集到第一倍增極到第一倍增極銻化銫（CsSb）材料具有很好的二次電子發射功能，它可以在較低的電壓下產生較高的發射系數，電壓高于400V時,值可高達10倍。 氧化的銀鎂合金材料也具有二次電子發射功能，它與銻化銫相比二次電子發射能力稍差些，但它可以工作在較強電流和較高的溫度（150）。 1）材料：(2)倍增極結構銅-鈹合金（鈹的含量為2%）材料也具有二次電子

9、發射功能，不過它的發射系數比銀鎂合金更低些。2）倍增極結構）倍增極結構: -聚焦型與非聚焦型聚焦型與非聚焦型 非聚焦型非聚焦型-百葉窗型與盒柵式百葉窗型與盒柵式盒柵式盒柵式聚焦型聚焦型-瓦片靜電聚焦型和圓形鼠籠式瓦片靜電聚焦型和圓形鼠籠式4.3 光電倍增管的基本特性 1. 靈敏度 (1)(1)陰極靈敏度陰極靈敏度 單色波入射，光電倍增管陰極電流單色波入射，光電倍增管陰極電流I Ik k與入射光譜輻射通量之與入射光譜輻射通量之比稱為比稱為陰極靈敏度陰極靈敏度 e,k ,kIS白光入射，光電倍增管陰極電流白光入射，光電倍增管陰極電流I IK K與光譜輻射通量的積分之比與光譜輻射通量的積分之比稱稱為

10、為陰極積分靈敏度陰極積分靈敏度，記為，記為S Sk k 0e,kkdIS (2)陽極靈敏度 定義光電倍增管陽極輸出電流定義光電倍增管陽極輸出電流I Ia a與入射光譜輻射通與入射光譜輻射通量之比為量之比為陽極光譜靈敏度陽極光譜靈敏度，并記為，并記為 e,a ,aIS白光入射，則定義為白光入射，則定義為陽極積分靈敏度陽極積分靈敏度，記為，記為Sa 0e,aadIS2. 2. 電流放大倍數（增益）電流放大倍數（增益） NG電流放大倍數表征了光電倍增管的內增益特性，它不但與倍增極材料的二次電子發射系數有關，而且與光電倍增管的級數N有關。Ni1)(G（2）當考慮到光電陰極發射出的電子被電子電子光學系統

11、所收集，其收集系數為 ，且每個倍增極的收集系數都為 ，因此，增益G應修正為 （1）理想光電倍增管的增益G與電子發射系數的關系為 對于非聚焦型光電倍增管的對于非聚焦型光電倍增管的1 1近似為近似為90%，i i要高于要高于1 ，但小于，但小于1；對于聚焦型的，尤其是在陰極與第對于聚焦型的，尤其是在陰極與第1倍增極之間具有電子限束電極倍增極之間具有電子限束電極F的倍的倍增管，其增管，其1 1i i 1，這個時候可以當理想光電倍增管。，這個時候可以當理想光電倍增管。 （3 3）二次電子發射系數）二次電子發射系數的經驗公式：的經驗公式：0.7DD)(2 . 0U 氧化的銀鎂合金（氧化的銀鎂合金（AgM

12、gOCs）材料）材料 =0.025UDD （4 4）增益）增益0.7NDD(0.2)NGU 銻化銫倍增極材料銻化銫倍增極材料 銀鎂合金材料銀鎂合金材料 DD(0.025)NNGU 銻化銫（銻化銫（Cs3SbCs3Sb）倍增極材料）倍增極材料 NGkakaSSIIG3 . 暗電流 光電倍增管在無輻射作用下的陽極輸出電流稱為暗電流，記為ID。光電倍增管的暗電流值在正常應用的情況下是很小的，一般為A，是所有光電探測器件中暗電流最低的器件。 影響暗電流的主要因素： 歐姆漏電熱發射殘余氣體放電場致發射玻璃殼放電和玻璃熒光(1). 歐姆漏電 電倍增管的電極之間玻璃漏電、管座漏電和灰塵漏電等。歐姆漏電通常比

13、較穩定，對噪聲的貢獻小。在低電壓工作時，歐姆漏電成為暗電流的主要部分。 (2). 熱發射 由于光電陰極材料的光電發射閾值較低，容易產生熱電子發射，即使在室溫下也會有一定的熱電子發射，并被電子倍增系統倍增。這種熱發射暗電流將對低頻率弱輻射光信號的探測影響嚴重。在光電倍增管正常工作狀態下，是暗電流的主要成分。 KTthq4/5tdeAETI降低光電倍增管的溫度降低光電倍增管的溫度是減小熱發射暗電流的有效方法。 (3). 殘余氣體放電 光電倍增管中高速運動的電子會使管中的殘余氣體電離，產生正離子和光子，它們也將被倍增，形成暗電流。這種效應在工作電壓高時特別嚴重，使倍增管工作不穩定。 (4). 場致發

14、射 光電倍增管的工作電壓高時還會引起管內電極尖端或棱角的場強太高產生的場致發射暗電流。顯然降低工作電壓場致發射暗電流也將下降。 (5). 玻璃殼放電和玻璃熒光 當光電倍增管負高壓使用時，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場很強，尤其是金屬屏蔽層與處于負高壓的陰極電場最強。在強電場下玻璃殼可能產生放電現象或出現玻璃熒光，放電和熒光都要引起暗電流，而且還將嚴重破壞信號。因此，在陰極為負高壓應用時屏蔽殼與玻璃管壁之間的距離至少為1020mm。 4. 噪聲 組成：a2naK4RfTI （2）散粒噪聲： 陰極暗電流Idk（熱電子發射） 背景輻射電流Ibk（光電流） 信號電流Isk的散粒效應所引起的噪聲。)(22

15、dkbkskk2nkIIIfqfqII（1）負載電阻的熱噪聲：散粒噪聲和負載電阻的熱噪聲)(22dkbkskk2nkIIIfqfqII 散粒噪聲電流將被逐級放大，并在每一級都產生自身的散粒噪聲。每一個倍增極輸出的散粒噪聲電流如下:)1 (2)(112nk1k21nk2nD1IfqIII第2級)1 (2)(212212nk21k22nD12nD2IfqIII第n級22nDn(1)n123n()2nD nkIIqIf 第1級第3級nD2222nD23k123nk123332321()2(1)IIqIfI 2nk123nnnn 1nn 11(1)I 12.,n則如果22nDnk21IqI Gf22n

16、Dnnk123nnnn 1nn 11(1)II 122nDnnk11nnII12nk-1nnI第N級2k2qI Gf總噪聲電流 fGqIRfKTIn2ka224設計要求：2ka42KT fqI GfR22nDnk2,IqI Gf2naa4KT fIRa2K4KT52k2RqI G設G=104，陰極暗電流Idk=10-14A，室溫T=300K，只要陽極負載電阻Ra滿足 當然，提高光電倍增管的增益（增高電源電壓）G，降低陰極暗電流Idk都會減少對陽極電阻Ra的要求，提高光電倍增管的時間響應。 5. 伏安特性 (1). 陰極伏安特性 當入射到光電倍增管陰極面上的光通量一定時，陰極電流Ik與陰極和第一

17、倍增極之間電壓(簡稱為陰極電壓Uk)的關系曲線稱為陰極伏安特性， 圖4為不同光通量下測得的陰極伏安特性。從圖中可見，當陰極電壓較小時陰極電流Ik隨Uk的增大而增加，直到Uk大于一定值(幾十伏特)后，陰極電流Ik才趨向飽和，且與入射光通量成線性關系。 (2). 陽極伏安特性 當入射到光電倍增管陽極面上的光通量一定時，陽極電當入射到光電倍增管陽極面上的光通量一定時，陽極電流流Ia與陽極和末級倍增極之間電壓與陽極和末級倍增極之間電壓(簡稱為陽極電壓簡稱為陽極電壓Ua)的關的關系曲線稱為陽極伏安特性，圖系曲線稱為陽極伏安特性，圖4-7為為3組不同強度的光通量的組不同強度的光通量的伏安特性。伏安特性。

18、當陽極電壓增大到一定程度當陽極電壓增大到一定程度后，被增大的電子流已經能夠完后，被增大的電子流已經能夠完全被陽極所收集，陽極電流全被陽極所收集，陽極電流Ia與與入射到陰極面上的光通量入射到陰極面上的光通量成線成線性關系而與陽極電壓的變化無關。性關系而與陽極電壓的變化無關。 e,aaSI 6. 線性 光電倍增管的線性光電倍增管的線性一般由它的陽極伏安特性表示；也一般由它的陽極伏安特性表示；也可以用陽極電流與入射到光電陰極上的光通量之間的關系可以用陽極電流與入射到光電陰極上的光通量之間的關系表示。表示。它是光電測量系統中的一個重要指標。線性與光電它是光電測量系統中的一個重要指標。線性與光電倍增管的

19、內部結構、供電電路及信號輸出電路等因素有關。倍增管的內部結構、供電電路及信號輸出電路等因素有關。 以偏離線性3%為界限 內因： 空間電荷、光電陰極的電阻率、 聚焦或收集效率等的變化， （2）外因： 光電倍增管輸出信號電流在負載電阻上的壓降對末級倍增極電壓產生負反饋和電壓的再分配都可能破壞輸出信號的線性。 7. 疲勞與衰老 光電陰極材料和倍增極材料中一般都含有銫金光電陰極材料和倍增極材料中一般都含有銫金屬。當電子束較強時，電子束的碰撞會使倍增極和屬。當電子束較強時，電子束的碰撞會使倍增極和陰極板溫度升高，銫金屬蒸發，影響陰極和倍增極陰極板溫度升高，銫金屬蒸發，影響陰極和倍增極的電子發射能力，使靈

20、敏度下降。甚至使光電倍增的電子發射能力，使靈敏度下降。甚至使光電倍增管的靈敏度完全喪失。因此，必須限制入射的光通管的靈敏度完全喪失。因此，必須限制入射的光通量使光電倍增管的輸出電流不得超過極限值量使光電倍增管的輸出電流不得超過極限值IaM。為。為防止意外情況發生，應對光電倍增管進行過電流保防止意外情況發生，應對光電倍增管進行過電流保護，陽極電流一旦超過設定值便自動關斷供電電源。護，陽極電流一旦超過設定值便自動關斷供電電源。 4.4 光電倍增管的供電電路 1 電阻鏈分壓型供電電路電阻鏈分壓型供電電路 光電倍增管具有極高的靈敏度和快速響應等特點，使它在光譜探測和極微弱快速光信息的探測等方面成為首選

21、的光電探測器。 光電倍增管的供電電路種類很多，可以根據應用的情況設計出各具特色的供電電路。本節介紹最常用的電阻分壓式供電電路。 如圖4-8所示為典型光電倍增管的電阻分壓式供電電路。電路由11個電阻構成電阻鏈分壓器，分別向10級倍增極提供電壓UDD。 電阻鏈分壓器中流過每級電阻的電流并不相等，電阻鏈分壓器中流過每級電阻的電流并不相等，但是，當流過分壓電阻的電流但是，當流過分壓電阻的電流IR遠遠大于遠遠大于Ia時，即時，即 IR Ia時，流過各分壓電阻時，流過各分壓電阻Ri的電流近似相等。的電流近似相等。工程上常設計工程上常設計IR大于等于大于等于10倍的倍的Ia電流。電流。 IR10Ia （1）

22、、電阻鏈的設計 R=Ubb/IR 選R1R1=1.5 Ri 各分壓電阻Ri ：bbiR(N 1.5)URI總電阻總電阻R9、R10、R11也應該適當取大些，并且不相等；中間幾級根據增益需求選擇，一般均分（2）電源電壓）電源電壓 極間供電電壓UDD直接影響著二次電子發射系數，或管子的增益G。因此，根據增益G的要求可以設計出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。 0.7nDDn(0.2) UG nDDn(0.025) UG 由可以計算出UDD與Ubb。一般Ubb：（10001500V）一般UDD：（80100V）2 末極的并聯電容末極的并聯電容0amamQIdtI 當入射輻射信號為高速的迅變信號或脈

23、沖時，末3級倍增極電流變化會引起較大UDD的變化，引起光電倍增管增益的起伏，將破壞信息的變換。在末3極并聯3個電容C1、C2與C3，通過電容的充放電過程使末3級電壓穩定。 (1) 電容C1的計算 設陽極脈動電流是矩形脈沖，幅度為Iam，脈沖寬度為電量變化為：如果這個變化是由電容提供的，則電容上的電壓變化量為：1QUC如果有：1DDQUUC 10.7DDUQGCGN170DDN QCLU就不會因陽極有脈動而使極間電壓變化超過允許值。DDDD0.7UGNGU銻化銫（例）銻化銫（例） ：DDDDUGNGU0.7NDD(0.2)NGUDD(0.025)NNGU銀鎂合金：銀鎂合金：10.770100DD

24、DDN QN QCGGUUGG70amDDNILU（2）電容C2、C3的計算 22DDQCU132CC11DDQU12CC 3 電源電壓的穩定度 DDDD7 . 0UUnGGbbbb7 . 0UUnGG銻化銫倍增極 銀鎂合金倍增極 bbbbDDDDUUGnnGUU0.7NDD(0.2)NGUDD(0.025)NNGU（1）電流穩定度（2）輸出信號的穩定度輸出信號：Uo=GSkvRabbbbUUGNUGU銻化銫倍增極 銀鎂合金倍增極 UGUGbbbb0.7UUGNUGU 在實際應用中常常對電源電壓穩定度的要求簡單地認為高于輸出電壓穩定度一個數量級。例如，當要求輸出電壓穩定度為1%時，則要求電源電

25、壓穩定度應高于0.1%。 例例4-1 設入射到PMT上的最大光通量為v=1210-6lm左右，當采用GDB-235型倍增管為光電探測器，已知它的倍增級數為8級，陰極為SbCs材料，倍增極也為SbCs材料，SK=40A/lm，若要求入射光通量在610-6lm時的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設計該PMT的變換電路。若供電電壓的穩定度只能做到0.01%，試問該PMT變換電路輸出信號的穩定度最高能達到多少？解解 (1) 首先計算供電電源的電壓根據題目對輸出電壓幅度的要求和PMT的噪聲特性，可以選擇陽極電阻Ra=82k，陽極電流應不小于Iamin，因此 Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2

26、.439A入射光通量為0.610-6lm時的陰極電流為 IK= SKv=4010-60.610-6=2410-6A此時，PMT的增益G應為 56min1002. 11024439. 2KaIIG由于G=，N=8，因此，每一級的增益=4.227，另外，SbCs倍增極材料的增益與極間電壓UDD有， ，可以計算出=4.227時的極間電壓UDD 0.7DD0.2()UV782 . 07 . 0DDU總電源電壓Ubb為 Ubb=（N+1.5）UDD=741V (2) 計算偏置電路電阻鏈的阻值偏置電路采用如圖4-8所示的供電電路，設流過電阻鏈的電流為IRi，流過陽極電阻Ra的最大電流為Iam=GSKvm=1.02105401