光電子發射探測器第一頁，共六十九頁，2022年，8月28日真空光電器件光電管光電倍增管特點：靈敏度高、穩定性好、響應速度快和噪聲小缺點：結構復雜，工作電壓高，體積大第二頁，共六十九頁，2022年，8月28日§3.2.1光電陰極一、光電陰極的主要參數1.靈敏度光照靈敏度:光譜靈敏度第三頁，共六十九頁，2022年，8月28日２.量子效率它表示一定波長的光子入射到光電陰極時，該陰極所發射的光電子數Ne()與入射的光子數Np()之比。也稱量子產額Q()3.光譜響應曲線４.熱電子發射：引起噪聲，限制探測靈敏度第四頁，共六十九頁，2022年，8月28日二、銀氧銫(Ag-O-Cs)光電陰極350nm,800nm第五頁，共六十九頁，2022年，8月28日三、單堿銻化物光電陰極金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫中的一種化合，能形成具有穩定光電發射的發射體。最常用的是銻化銫，其陰極靈敏度最高，廣泛用于紫外和可見光區的光電探測器中。四、多堿銻化物光電陰極當銻和幾種堿金屬形成化合物時，具有更高的響應率第六頁，共六十九頁，2022年，8月28日五、紫外光電陰極通常來說對可見光靈敏的光電陰極對紫外光也有較高的量子效率。有時，為了消除背景輻射的影響，要求光電陰極只對所探測的紫外輻射信號靈敏，而對可見光無響應。這樣的光電陰極有碲化銫(CsTe,320nm)和碘化銫(CsI,200nm)第七頁，共六十九頁，2022年，8月28日六、負電子親和勢光電陰極常規的光電陰極屬于正電子親和勢(PEA)類型，即表面的真空能級位于導帶之上。如果給半導體的表面作特殊處理，使表面區域能帶彎曲，真空能級降低到導帶之下，從而使有效的電子親和勢為負值，經過特殊處理的陰極稱作負電子親和勢光電陰極(NEA)。第八頁，共六十九頁，2022年，8月28日EA1Eg1Eg2EA2Ev1Ec1E0Ec2Ev2SiCs2OEv1EC1EfEAeE0EdEA2Ev2+++---Si-CsO2光電陰極：在p型Si基上涂一層金屬Cs，經過特殊處理而形成n型Cs2O。在交界區形成耗盡層，耗盡區的電位下降Ed,造成能帶彎曲。對于P型Si的發射閾值是Ed1=EA1+Eg1,電子進入導帶后需要克服親和勢EA1才能逸出表面。由于表面存在n型薄層，使耗盡區的電位下降，表面電位降低Ed。光電子在表面受到耗盡區電場的作用。第九頁，共六十九頁，2022年，8月28日從Si的導帶底部漂移到表面Cs2O的導帶底部。此時，電子只需克服EA2就能逸出表面。對于P型Si的光電子需克服的有效親和勢為EAe=EA2-Ed由于能級彎曲，使Ed>EA2,這樣就形成了負電子親和勢。負電子親和勢陰極與正電子親和勢陰極的區別：1.參與發射的電子是導帶的熱化電子，或稱為“冷”電子；第十頁，共六十九頁，2022年，8月28日２.NEA陰極中導帶的電子逸入真空不需作功。特點：1.高吸收，低反射性質；2.高量子效率，50%~60%,長波到達9%;3.光譜響應可以達到1m以上；4.冷電子發射光譜能量分布較集中，接近高斯分布5.光譜響應平坦；6.暗電流小；7.在可見、紅外區，能獲得高響應度；8.工藝復雜，售價昂貴。第十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日§3.2.2光電管與光電倍增管的工作原理一、真空光電管1、結構與工作原理真空光電管構造示意圖

真空光電管由玻殼、光電陰極和陽極三部分組成。第十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日光電陰極即半導體光電發射材料，涂于玻殼內壁，受光照時，可向外發射光電子。陽極是金屬環或金屬網，置于光電陰極的對面，加正的高電壓，用來收集從陰極發射出來的電子。

優點：光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達20～200μA/lm；暗電流小，最低可達10-14A；光電發射弛豫過程極短。

缺點：真空光電管體積大、工作電壓高,達百伏到數百伏、玻殼容易破碎等

第十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日二、光電倍增管1、光電倍增管組成及工作原理光電倍增管由五個主要部分組成：光窗、光電陰極、電子光學系統、電子倍增系統和陽極。

第十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日第十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日工作原理：1.光子透過入射窗口入射在光電陰極上;2.光電陰極上的電子受光子激發，離開表面發射到真空中;3.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。入射電子經N級倍增極倍增后，光電子就放大N次；4.經過倍增后的二次電子由陽極收集，形成陽極光電流。第十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日光電倍增管工作原理圖第十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日第十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日２.入射窗口和光電陰極結構第十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日硼硅玻璃

這是一種常用的玻璃材料，可以透過從近紅外至300nm的入射光，但不適合于紫外區的探測。無鉀玻璃中只有極低含量的鉀，其中的K40會造成暗計數。所以通常用于閃爍計數的光電倍增管不僅入射窗，而且玻璃側管也使用無鉀玻璃，就是為了降低暗計數透紫玻璃（UV玻璃）

這種玻璃材料就象其名字所表達的那樣，可以很好地透過紫外光，和硼硅玻璃一樣被廣泛使用。分光應用領域一般都要求用透紫玻璃，其截止波長可接近185nm。

窗口材料第二十頁，共六十九頁，2022年，8月28日合成石英

合成石英可以將透過的紫外光波長延伸至160nm，并且在紫外區比熔融石英玻璃有更低的吸收。合成石英材料的膨脹系數與芯柱用玻璃的膨脹系數有很大差別，所以，用熱膨脹系數漸變的封接材料與合成石英逐漸過渡。因此，此類光電倍增管的強度易受外界震動的破壞，使用中要采取足夠的保護措施。

氟化鎂（鎂氟化物）該材料具有極好的紫外線透過性，但同時也有易潮解的不利因素。盡管如此，氟化鎂仍以其接近115nm的紫外透過能力而成為一種實用的光窗材料。

第二十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日３.電子光學系統電子光學系統是適當設計的電極結構，作用：使前一級發射出來的電子盡可能沒有散失地落到下一個倍增極上，即使下一級的收集率接近1；并使前一級各部分發射出來的電子，落到后一級上所經歷的時間盡可能相同，即渡越時間零散最小。

第二十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日4.電子倍增極二次電子發射：具有足夠動能的電子轟擊某些材料時，材料表面將發射新的電子。二次發射系數：二次發射的電子數N2與入射的一次電子數N1的比值第二十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日倍增級結構現在使用的電子倍增系統主要有以下幾類：環形聚焦型

環形聚焦型結構主要應用于側窗型光電倍增管。其主要特點為緊湊的結構和快速時間響應特性。

第二十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日盒柵型

這種結構包括了一系列的四分之一圓柱形的倍增極，并因其相對簡單的倍增極結構和一致性的改良而被廣泛地應用于端窗型光電倍增管，但在一些應用中，其時間響應可能略顯緩慢。

第二十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日直線聚焦型直線聚焦型因其極快的時間響應而被廣泛地應用于要求時間分辨和線性脈沖研究用的端窗型光電倍增管中。

第二十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日百葉窗型百葉窗型結構因倍增極可以較大而被用于大陰極的光電倍增管中，其一致性較好，可以有大的脈沖輸出電流。這種結構多用于不太要求時間響應的場合。

第二十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日

細網型

細網型結構擁有封閉的精密組合的網狀倍增極，而使其具有極強的抗磁性、一致性和脈沖線性輸出特性。另外，當使用交疊陽極或多陽極結構輸出情況下，還具有位置靈敏特性。

第二十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日微通道板（MCP）型MCP是上百萬的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成為薄形盤片狀而形成。每個通道都是一個獨立的電子倍增器。MCP比任何分離電極倍增極結構具有超快的時間響應，并且當采用多陽極輸出結構時，在磁場中仍具有良好的一致性和二維探測能力。

第二十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日5.陽極陽極作用是接收從末級倍增極發射出的二次電子，通過引線向外輸出電流。對于陽極的結構要求具有較高的電子收集率，能承受較大的電流密度，并且在陽極附近的空間不至于產生空間電荷效應第三十頁，共六十九頁，2022年，8月28日§3.2.3光電倍增管的主要特性參數一、靈敏度靈敏度是衡量光電倍增管探測光信號能力的一個重要參數光譜響應陰極靈敏度陽極靈敏度第三十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日陰極光照靈敏度：陰極輸出光電流Ik與入射到光電陰極面上的光通量之比：GV+HVEA10-5~10-2lm第三十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日陽極光照靈敏度表示光電倍增管在接收分布溫度為2856K的光輻射時陽極輸出電流與入射光通量的比值：GV－HVEA10-10~10-6lm第三十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日二、放大倍數(增益)光電倍增管的陰極產生的很小的光電子電流，可以放大成較大的陽極輸出電流：

二次電子發射，產生多于光電子數目的電子流。連續地重復這一過程，直到最末倍增極的二次電子發射被陽極收集，從而達到了電流放大的作用。電流增益就是光電倍增管的陽極輸出電流與陰極光電子電流的比值。在理想情況下，具有n個倍增極，每個倍增極的平均二次電子發射率為的光電倍增管的電流增益為

n。二次電子發射率由下式給出：

第三十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日這里的C為一常數，V為極間電壓，α為一由倍增極材料及其幾何結構決定的系數，α的數值一般介于0.7和0.8之間。

如果光電倍增有n級倍增級，那么光電陰極發射的光電流經過各級倍增極倍增后，從陽極輸出的電流:０為電子光學系統的收集率；

１

２..

n倍增極的電子收集率12n倍增極二次電子發射系數第三十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日設陽極電子收集率為1，如果各倍增極的電子收集率和二次電子發射系數，那么光電倍增管的放大倍數放大倍數也可以表示為第三十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日三、暗電流暗電流是指在施加規定的電壓后，在無光照情況下測定的陽極電流。暗電流決定光電倍增管的極限靈敏度暗電流組成熱電子發射極間漏電流殘余氣體的離子發射玻璃閃爍場致發射第三十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日減小暗電流的方法直流補償選頻和鎖相放大致冷電磁屏蔽法磁場散焦法PMT第三十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日第三十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日四、噪聲散粒噪聲閃爍噪聲電阻熱噪聲第四十頁，共六十九頁，2022年，8月28日五、伏安特性１.陰極伏安特性當入射光通量一定時，陰極光電流與陰極和第一倍增極之間的電壓關系.Ik(nA)312Vk(V)第四十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.陽極伏安特性當入射光通量一定時，陽極光電流與最后一級倍增極和陽極之間的電壓關系Ik(uA)312Vp(V)第四十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日六、線性

造成非線性的原因:(1)內因－空間電荷、光電陰極的電阻率、聚集或收集率的變化；(2)外因－由于信號電流造成負載電阻的負反饋和電壓的再分配。第四十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日七、穩定性穩定性是指陽極電流隨工作時間的變化，它在閃爍記數和光度測量中顯得很重要。１.靈敏度的慢漂移2.滯后效應第四十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日八、響應時間：入射光變化輸出電信號的變化

1.上升時間2.渡越時間九、磁場特性磁場變化時，光電子運動軌跡的偏移第四十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日§3.2.4光電倍增管的供電和信號輸出電路一、高壓供電１.供電電壓的極性陽極接地負高壓供電：陽極信號輸出方便，可以直流輸出。但由于陰極屏蔽困難，陽極輸出暗電流和噪聲較大。陰極接地的正高壓供電：陽極信號輸出必須通過耐高壓、噪聲小的隔直流電容器，因此只能輸出交流信號。但可以得到較低的暗電流和噪聲。第四十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日２、分壓器設計GKPR1R2R3R4R5R7R61.DC輸出型第四十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日理想曲線真實曲線入射光通量輸出電流與分壓器電流比１第四十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日2脈沖輸出型GKPR1R2R3R4R5R7R6第四十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日二、信號輸出

光電倍增管輸出一個電流信號，而與其相聯的后續電路，一般是基于電壓信號而設計的，因此，常用一個負載電阻來完成電流-電壓的轉換。在此，我們來研究一下負載電阻的選取。由于光電倍增管輸出電流很小，而且實際上常常將其看作一個恒流源，因此，一般認為負載電阻可以任意大地選取，從而從一個較低的電流信號，得到一個很高的電壓信號。但是實際上，較大的負載電阻會導致頻率響應和輸出線性的惡化。第五十頁，共六十九頁，2022年，8月28日若負載電阻為RL，光電倍增管陽極和其它電極之間的靜電電容量以及由于布線等引起的雜散電容量的總和為Cs，則截止頻率fc：

上式可以看到，盡管光電倍增管和放大器有極快的響應時間，輸出線路響應也將受到截止頻率fc的限制。如果負載電阻RL值較高，在較高輸出電流情況下，負載電阻將導致陽極電位電壓降增大，造成陽極-末倍增極電壓降低，從而降低了輸出線性（輸出電流與入射光的比例關系）。

第五十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日２.運算放大器輸出PMTVRfCf輸出的電壓這是一個由運算放大器構成的I—V(電流—電壓)轉換器第五十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日§3.2.5光電倍增管的應用一、光譜學

-----利用光吸收原理

1.紫外/可見/近紅外分光光度計

光通過物質時使物質的電子狀態發生變化，而失去部分能量，稱為吸收。利用吸收進行定量分析:為確定樣品物質的量，采用連續的光譜對物質進行掃描，并利用光電倍增管檢測光通過被測物質前后的強度，即可得到被測物質吸收程度，計算出物質的量。

第五十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.原子吸收分光光度計

廣泛地應用于微量金屬元素的分析。對應于分析的各種元素，需要專用的元素燈，照射燃燒并霧化分離成原子狀態的被測物質上，用光電倍增管檢測光被吸收的強度，并與預先得到的標準樣品比較。

第五十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日二、利用發光原理１.發光分光光度計

樣品接受外部照射光的能量會產生發光，利用單色器將這種光的特征光譜線顯示出來，用光電倍增管探測出特征光譜線是否存在及其強度。這種方法可以迅速地定性或定量地檢查出樣品中的元素。

第五十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日２.熒光分光光度計

熒光分光光度計依據生物化學，特別是分子生物學原理。物質受到光照射，發射長波的發光，這種光稱為熒光。用光電倍增管檢測熒光的強度及光譜特性，可以定性或定量地分析樣品成份。

3.拉曼分光光度計

用單色光照射物質后被散亂，這種散亂光中，只有物質特有量的不同波長光混合在里面。這種散亂光（拉曼光）進行分光測定，對物質進行定性定量的分析。由于拉曼發光極其微弱，因此檢測工作需要復雜的光路系統，并且采用單光子計數法。

第五十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日三、質量光譜學與固體表面分析

固體表面分析

固體表面的成分和結構，可以用極細的電子、離子、光或X射線的束流，入射到物質表面，對表面發出的電子、離子、X射線等進行測定來分析。這種技術在半導體工業領域被用于半導體的檢查中，如缺陷、表面分析、吸附等。電子、離子、X射線一般采用電子倍增器或MCP來測定。

第五十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日四、環境監測

塵埃粒子計數器

塵埃粒子計數器檢測大氣或室內環境中懸浮的粉塵或粒子的密度。它利用了塵埃粒子對光的散亂或β射線的吸收原理。

濁度計

當液體中有懸浮粒子時，入射光會粒子被吸收、折射。對人的眼睛來看是模糊的，而濁度計正是利用了光的透過折射和散射原理，并用數據來表示的裝置。

第五十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日五、生物技術

細胞分類

細胞分類儀是利用熒光物質對細胞標定后，用激光照射，細胞的熒光、散亂光用光電倍增管進行觀察，對特定的細胞進行選別的裝置

熒光計

細胞分類的最終目的是分離細胞，為此，有一種用于對細胞、化學物質進行解析的裝置，它稱為熒光計。它對細胞、染色體發出的熒光、散亂光的熒光光譜、量子效率、偏光、壽命等進行測定。

第五十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日六、醫療應用

γ相機

將放射性同位素標定試劑注入病人體內，通過γ相機可以得到斷層圖象，來判別病灶。從閃爍掃描器開始，經逐步改良，γ相機的性能得到快速的發展。光電倍增管通過光導和大面積NaI（Tl）組合成探測器

正電子CT

放射線同位素（C11、O15、N18、F18等）標識的試劑投入病人體內，發射出的正電子同體內結合時，放出淬滅γ線，用光電倍增管進行計數，用計算機作成體內正電子同位素分布的斷層畫面，這種裝置稱為正電子CT。

第六十頁，共六十九頁，2022年，8月28日液體閃爍計數

液體閃爍計數應用于年代分析和生物化學等領域。將含有放射性同位素物質溶于有機閃爍體內，并置于兩個光電倍增管之間，兩個光電倍增管同時檢測有機閃爍體的發光。

臨床檢查

通過對血液、尿液中微量的胰島素、激素、殘留藥物及病毒等對于抗原、抗體的作用特性，進行臨床身體檢查、診斷治療效果等。光電倍增管對被同位素、酶、熒光、化學發光、生物發光物質等標識的抗原體的量進行化學測定。

第六十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日七、射線測定

區域檢測儀

可以連續地檢測環境輻射水平。它采用光電倍增管與閃爍體組合的方式，完成對低水平的α射線和γ射線的檢測。

射線測量儀

射線測量儀采用光電倍增管與閃爍體組合的方式完成對低水平的γ射線和β射線的檢測。

第六十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日八、資源調查

石油測井應用

石油測井中用以確定石油沉積位置以及儲量等。內藏放射源、光電倍增管和閃爍體的探頭進入井中，分析放射源被散射的以及地質結構中的自然射線，判斷油井周圍的地層類型及密度第六十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日九、工業計測

厚度計

工業生產中的諸如紙張、塑料、鋼材等的厚度檢測，可以通過包括放射源、光電倍增管和閃爍體的設備來實現。對于低密度物質，比如橡膠、塑料、紙張等，采用β射線源；諸如鋼板等的高密度物質則使用γ射線。（在電鍍、蒸發控制等處，鍍膜的厚度可使用X射線熒光光度計）

半導體檢查系統

廣泛地應用于半導體芯片的缺陷檢查、掩膜錯位等。芯片的缺陷檢查裝置中用光電倍增管