能夠產生光電發射效應的物體稱為光電發射體，光電發射體在光電器件中常與陰極相聯故又稱為光電陰極。5.1.1.光電陰極的主要參數2.量子效率

3.光譜響應曲線

4.熱電子發射

1.靈敏度第5章真空光電器件真空光電器件是基于外光電效應的光電探測器

結構特點:有一個真空管和一個光電陰極，光電陰極和其他元件都放在真空管中真空光電器件包括光電管和光電倍增管什么是光電陰極?光電倍增管具有靈敏度高、響應迅速等特點，在探測微弱光信號及快速脈沖弱光信號方面是一個重要的探測器件。因此,廣泛應用于航天、材料、生物、醫學、地質等等領域。

5.1光電陰極11.靈敏度光照靈敏度色光靈敏度光譜靈敏度靈敏度色溫2856K的鎢絲燈(1)光照靈敏度

在一定的白光照射下，光電陰極的光電流與入射的白光光通量之比,也稱白光靈敏度或積分靈敏度。它表示在某些特定的波長區域，陰極光電流與入射光的光通量之比。(2)色光靈敏度

一般用插入不同的濾光片來獲得不同的光譜范圍，濾光片的透射比不同，它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏。實際上是局部波長范圍的積分靈敏度2

2.量子效率

陰極發射的光電子數

Ne(λ)與入射的光子數Np(λ)之比，稱為量子效率:根據定義:量子效率和光譜靈敏度之間的關系為:式中,λ單位為nm；

S(λ)為光譜靈敏度，單位為A/W。

波長一定的單色光照射時，光電陰極發出的光電流與入射的單色光通量之比。(3)光譜靈敏度3

光電陰極中有一些電子的熱能有可能大于光電陰極逸出功，因而可產生熱電子發射。熱電子發射會引起噪聲室溫下典型光電陰極每秒每平方厘米發射的熱電子相當于l0-16～10-17A/cm2的電流密度3.光譜響應曲線光電陰極的光譜靈敏度與入射光波長的關系曲線，稱為光譜響應曲線。4.熱電子發射S(λ)λ/nm4光電陰極一般分為:透射型與反射型兩種。

不透明陰極通常較厚，光照射到陰極上，光電子從同一面發射出來，所以不透明光電陰極又稱為反射型陰極5.1.2.光電陰極的分類

透射型陰極通常制作在透明介質上，光通過透明介質后入射到光電陰極上。光電子則從光電陰極的另一邊發射出來，所以透射型陰極又稱為半透明光電陰極。

透射型陰極光電子的逸出深度是有限的，因此，所有半透明光電陰極都有一個最佳厚度。55.1.3.常用光電陰極材料

透射型光譜響應:300nm到1200nm，反射型光譜響應:300m到1100nm。Ag-O-Cs光電陰極主要應用于近紅外探測。(1)Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應。

金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銫中的一種構成的化合物，都是能形成具有穩定光電發射的發射材料，CsSb最為常用，在紫外和可見光區的靈敏度最高。(2)單堿銻化合物(PEA)

銻和幾種堿金屬形成的化合物包括雙堿銻材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三堿銻材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最實用的光電陰極材料，具有高靈敏度和寬光譜響應，其紅外端可延伸到930nm，適用于寬帶光譜測量儀.(3)多堿銻化合物(PEA)(4)負電子親合能材料(NEA)

這些材料的真空能級在導帶之中，從而使有效的電子親和勢變為負值，這種材料稱作負電子親和勢光電陰極材料。常用的有:GaAs(Cs)和InGaAs(Cs)。（5）紫外光電陰極材料

某些應用，要求光電陰極材料只對所探測的紫外輻射靈敏，對可見光無響應。這種材料通常稱為“日盲”型光電陰極材料，也稱紫外光電陰極材料。目前實用的紫外光電陰極碲化銫(CsTe)和碘化銫(Csl)兩種。

長波限為0.32μm長波限為0.2μm

負電子親和勢材料制作的光電陰極與正電子親和勢材料光電陰極相比,具有以下四點特點c.熱電子發射小

a.量子效率高

b.光譜響應率均勻,且光譜響應延伸到紅外

d.光電子的能量集中6光電管主要由玻殼（光窗）、光電陰極和陽極三部分組成

光電管內可以抽成真空也可以充入低壓惰性氣體，所以有真空型和充氣型兩種。§5.2光電管與光電倍增管5.2.1.光電管(PT)

簡述真空型和充氣型兩種光電管的工作原理?7

光電倍增管是在光電管的基礎上研制出來的一種真空光電器件，在結構上增加了電子光學系統和電子倍增極，因此極大的提高了檢測靈敏度。

光電倍增管主要由入射窗口、光電陰極、電子光學系統、電子倍增系統和陽極五個主要部分組成。1.入射窗口

a.窗口形式光窗有側窗和端窗兩種

側窗端窗5.2.2.光電倍增管(PMT)一．光電倍增管的結構PMT的光窗是入射光的通道側窗型光電倍增管是通過管殼的側面接收入射光，側窗式光電倍增管一般使用反射式光電陰極，而且大多數采用鼠籠式倍增極結構這種型式一般應用在光譜儀和發光強度測量中端窗式光電倍增管通常使用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內側面端窗式光電倍增管是通過管殼的端面接收入射光8

光窗材料對光的吸收與波長有關，波長越短吸收越多，所以倍增管光譜特性的短波閾值決定于光窗材料。b.PMT常用的窗口材料

硼硅玻璃:透射范圍從300nm到紅外

透紫外玻璃優點:紫外短波透射截止波長可延伸到185nm

熔融石英（二氧化硅）優點:在遠紫外區有相當好的透過率，短波截止波長可達到160nm

藍寶石(Al2O3晶體)特點是:紫外透過率處于熔融石英和透紫外玻璃之間，紫外截止波長可以達到150nm。

MgF2短波透射波長可到115nm

PMT常用的窗口材料硼硅玻璃透紫外玻璃熔融石英藍寶石MgF291)使光電陰極發射的光電子盡可能全部匯聚到第一倍增極上，而將其他部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比.倍增極收集電子的能力通常用電子收集率表示；2.電子光學系統

電子光學系統是指陰極到倍增系統第一倍增極之間的電極空間.包括光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。

電子光學系統的主要作用有兩點2)使陰極面上各處發射的光電子在電子光學系統中渡越的時間盡可能相等，這樣可以保證光電倍增管的快速響應.通常用渡越時間離散性表示。10(3)到達界面的內二次電子中能量大于表面勢壘的電子發射到真空中，成為二次電子。當具有足夠動能的電子轟擊倍增極材料時，倍增極表面將發射新的電子。稱入射的電子為一次電子，從倍增極表面發射的電子為二次電子

(1)二次電子發射原理

把二次發射的電子數N2與入射的一次電子數Nl的比值定義為該材料的二次發射系數

3．電子倍增極

倍增系統是由許多倍增極組成，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構成的，具有使一次電子倍增的能力。倍增系統決定整管靈敏度。二次電子發射過程三個階段(1)材料吸收一次電子的能量，激發體內電子到高能態，這些受激電子稱為內二次電子；(2)內二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運動什么是一次和二次電子？11（2）倍增極材料(大致可分以下四類)1）銀氧銫和銻銫兩種化合物:是靈敏的光電發射體和良好的二次電子發射體。2）氧化物型:氧化鎂、氧化鋇等。3）合金型:銀鎂、鋁鎂、銅鎂、鎳鎂、銅鈹等合金4）負電子親合勢材料:銫激活的磷化鎵等

光電倍增管中的倍增極一般由幾級到十五級組成。根據電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類。

(3)倍增極結構

聚焦不是指使電子束會聚于一點，而是指電子從前一級倍增極飛向后一級倍增極時，在兩電極間的電子運動軌跡，可能有交叉。非聚焦則是指在兩電極間的電子運動軌跡是平行的倍增極結構形式:

光電倍增管的性能取決于倍增極的結構類型和光電陰極的尺寸和聚焦系統。

陽極

陽極的作用是收集從末級倍增極發射出的二次電子。最簡單常用的陽極是柵狀陽極。柵狀陽極的輸出電容小，陽極附近也不易產生空間電荷效應。

鼠籠式最大特點是結構緊湊，時間響應快。

盒柵式主要特點是光電子收集率高，均勻性和穩定性較好，但時間響應稍慢一些。直線聚焦型多用于端窗式光電倍增管;主要特點是時間響應很快，線性好。百葉窗式適用于端窗式光電倍增管。特點:管子的均勻性好，輸出電流大并且穩定，但響應時間較慢，最高響應頻率僅幾十兆赫。近貼柵網式這種結構的光電倍增管具有極好的均勻性和脈沖線性，抗磁場影響能力強。當陽極采用多電極結構時，可以做成位置敏感型器件。微通道板式微通道板式光電倍增管的響應速度極快，抗磁場干擾能力強、線性好。12二.PMT的工作原理④經過倍增后的二次電子由陽極P收集起來，形成陽極光電流Ip，在負載RL上產生信號電壓Ｕ0。①光子透過入射窗口入射在光電陰極K上②光電陰極K受光照激發，表面發射光電子③光電子被電子光學系統加速和聚焦后入射到第一倍增極D1上，將發射出比入射電子數更多的二次電子。入射電子經N級倍增后，光電子數就放大N次

為了使光電子能有效地被各倍增極電極收集并倍增，陰極與第一倍增極、各倍增極之間以及末級倍增極與陽極之間都必須施加一定的電壓。最普通的形式是在陰極和陽極之間加上適當的高壓，陰極接負，陽極接正，外部并接一系列電阻，使各電極之間獲得一定的分壓，如上圖所示。13

陰極的光譜靈敏度取決于光電陰極和窗口的材料性質。陽極的光譜靈敏度等于陰極的光譜靈敏度與光電倍增管放大系數的乘積，而其光譜響應曲線基本上與陰極的相同。(1)光譜響應

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:包括光譜響應,陰極靈敏度,陽極靈敏度.§5.3PMT的主要特性參數1．靈敏度(2)陰極靈敏度

陰極的光照靈敏度定義為光陰極產生的光電流與入射到它上面的光通量之比

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信號電流與入射到陰極上的光通量之比(3)陽極靈敏度

與陰極靈敏度相對應，陽極靈敏度也有藍光靈敏度、紅光靈敏度及單色靈敏度

陽極的光譜響應曲線基本上與陰極的相同。14

是常數；k值與倍增極的材料和結構有關，一般為0.7~0.8。

光電倍增管倍增極的二次電子發射系數是倍增極間電壓的函數，有以下關系:放大倍數與光電倍增管所加電壓U的關系為:

從上式可知，光電倍增管的放大倍數和陽極輸出電流隨所加電壓的次方指數變化

2.電流放大倍數由此，可得出結論：電壓的穩定度應比測量精度高一個數量級，為什么？其中例如:要求系統測量精度為1%,那么所用電源電壓的穩定度應為0.1%15

實際使用中，為了得到比較高的信噪比S/N，所加的電源電壓必須適當，一般工作在右圖的b段

暗電流來源：陰極或其他零件的熱發射、極間歐姆漏電、殘余氣體以及場致發射等的再生效應。(1)熱電子發射是光電倍增管暗電流的主要部分。(2)歐姆漏電是指光電倍增管內支撐電極的絕緣體如玻璃芯柱、陶瓷片、塑料管基等在高電壓下的漏電流。絕緣體的電阻率很高,但是管內吸附有多余的堿金屬或者管外被其他贓物污染時,表面電阻降低,歐姆漏電便增加.(3)當光電倍增管的工作電壓很高時，可能產生電極尖端的場致發射和殘余氣體離子發射。3．暗電流

光電倍增管的暗電流是指在施加規定的電壓后，在無光時的陽極電流。暗電流決定了光電倍增管的極限靈敏度。暗電流主要來源:陰極,歐姆漏電和電極尖端場致發射。

暗電流的產生與電源電壓有密切關系

低電壓時，暗電流由漏電流決定；電壓較高時，主要是熱電子發射；

電壓再大，則導致場致發射和殘余氣體離子發射，使暗電流急劇增加，甚至可能發生自持放電強調:看書時注意理解幾個概念:離子反饋,光反饋和自持放電16(1)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電壓(陰極電壓UK)的關系稱為陰極伏安特性。下圖為不同光通量下測得的陰極伏安特性。(2)當入射光通量一定時，陽極電流與最后一級倍增極和陽極之間電壓(陽極電壓UP)的關系稱為陽極伏安特性.下圖為不同光通量下測得的陽極伏安特性。5．伏安特性從圖可見，當陰極電壓大于一定值(幾十伏)后，陰極電流開始趨向飽和，飽和電流與入射光通量成線性關系。圖中，當陽極電壓大于一定值后,陽極電流趨向飽和，與入射到陰極面上的光通量成線性關系。176.噪聲光電倍增管的噪聲主要有光電器件本身的散粒噪聲和熱噪聲、負載電阻的熱噪聲、光電陰極和倍增極發射時的閃爍噪聲等。散粒噪聲中一大部分是暗電流被倍增引起的。減小噪聲和暗電流的常用有效方法是制冷。制冷對降低其它光電器件的噪聲很有效。

光電倍增管具有很寬的動態范圍，能夠在很大光強變化范圍內保持線性。但如果入射光強過大，輸出信號電流就會偏離理想的線性。7.線性

光電倍增管的穩定性是指在恒定光照情況下，陽極電流隨時間的變化。光電倍增管的穩定性與工作電流、極間電壓、運行時間、環境條件和光照情況等許多因素有關。

8.穩定性

當入射光或者所加電壓以階躍函數變化時，光電倍增管并不能輸出完全相同的階躍函數信號，這種現象稱為“滯后”。滯后效應主要由于電子偏離設計的軌跡以及倍增極的陶瓷支架和玻殼等靜電作用引起的。9.滯后效應

光電倍增管的時間響應主要是由從光陰極發射光電子、經過倍增極放大到到達陽極的渡越時間，以及由每個光電子之間的渡越時間差決定的。光電倍增管的時間響應通常用陽極輸出脈沖的上升、下降時間、電子的渡越時間及渡越時間離散來表示。

10.時間特性

光電倍增管會受到周圍環境磁場的影響。磁場會使本來由靜電場確定的電子軌跡產生偏移。這種現象在陰極到第一倍增極區域最為明顯，因為在這一區域，電子路徑最大。在磁場的作用下電子運動偏離正常軌跡，引起光電倍增管靈敏度下降，噪聲增加。

11.磁場特性

目前由于分別采用了近貼柵網和微通道板代替普通的倍增極結構，這些類型的光電倍增管抗磁場干擾能力得到很大的加強，可在磁場強度很強的環境中使用。§5.4光電倍增管的供電和信號輸出電路

為了使光電倍增管能正常工作，通常在陰極(K)和陽極（P）之間加上近千伏的高壓。為保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增系統能得到有效放大，還需將高壓在陰極、聚焦極、倍增極和陽極之間按一定規律進行分配。18

光電倍增管必須工作在高壓狀態下，一般電源電壓的穩定性應比光電倍增管所要求的穩定性約高10倍。在精密的光輻射測量中，通常要求電源電壓的穩定度達到0.01％～0.05％。

下圖所示光電倍增管常用的一種體積小巧的高壓電源模塊。輸入直流電壓為+15伏，可獲得上千伏的負高壓輸出，電壓穩定度為0.02%～0.05%。

1.高壓電源

右下圖所示調節控制端的電阻或電壓值，輸出的電壓可以在-200伏至-1200伏之間變化。可變電阻一般為10kΩ的精密電阻。也可以通過微機編程自動設定高壓，根據測量的光信號強度可自動調整光電倍增管測量系統靈敏度。19

采用陽極接地、陰極接負高壓方式。消除了外部電路與陽極之間的電壓差，便于電流—電壓轉換運算放大器直接與光電倍增管相連接。但在這種陽極接地的方案中，由于靠近光電倍增管玻殼的金屬支架或磁屏蔽套管接地，它們與陰極和倍增極之間存在比較高的電位差，結果會使某些光電子打到玻殼內側，產生玻璃閃爍現象，從而導致噪聲的顯著增加.

2．高壓分壓電路(1)高壓分壓電路

光電倍增管工作時，需在陰極和陽極之間加上五百到一千伏的高壓。該電壓將以適當的比例分配給聚焦極、倍增極和陽極，保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增系統得到放大。實際應用中各極間的電壓都是由連接于陽極與陰極之間的分壓電阻所提供的，這一電路被稱為高壓分壓電路。(2)高壓分壓電路的接地方式

陰極接地,陽極接高壓電源的方式,見右下圖.這種方法,必須使用耐高壓的耦合電容來輸出信號.可見,這種方式只適合于交流或脈沖信號的測量.強調:為了保證陰極,聚焦極,倍增極和陽極之間電壓的穩定,可在陰極與第一倍增極之間和陽極與最末一級倍增極之間采用齊納二極管代替電阻.20

流經分壓電路的電流被稱為分壓電流，該電流與光電倍增管輸出電流的線性有著密切關系。分壓電流約等于供電電壓除以各分壓電阻阻值的和。無論是陽極還是陰極接地，無論是直流還是脈沖信號工作，當入射到PMT光陰極的光通量增加時，輸出電流也隨著相應增加。3.分壓電流與輸出線性的關系

入射光通量與陽極電流理想的線性關系,從一個特定的電流值(B段)開始發生變化，并最終使PMT的輸出飽和(C段)。21(2)當輸出信號的線性要求較高時，選擇的負載電阻應使信號電流在它上面產生的壓降在幾伏以下(一)用負載電阻實現電流-電壓轉換電路的負載電阻為RL,放大器的輸入阻抗為Rin.

PMT陽極與導線電容雜散電容及其他各極間的總電容為Cs,那么截止頻率可以由下面的等式給出4.信號輸出方式選擇負載電阻時要注意三點

在頻響要求比較高的場合，負載電阻應盡可能小一些(3)負載電阻應比放大器的輸入阻抗小得多PMT的響應能力受到后繼輸出電路的截止頻率的限制.PMT的有效負載電阻由RL和Rin并聯結果決定.22由運算放大器構成的電流—電壓轉換電路

為了防止PMT輸出端發出高壓，采用一只電阻RP和二極管VDl及VD2組成保護電路,可防止前置放大器被損壞。這兩個二極管應有最小的漏電流和結電容，通常采用一個小信號放大晶體管的B-E結。RP的選擇有講究;太小起不到保護作用,太大測量大電流時有誤差,一般為幾千歐~幾十千歐.(二)用運算放大器實現電流-電壓轉換-+-+由于運算放大器的輸入阻抗非常高，光電倍增管的輸出電流被阻隔在運算放大器的反相輸人端外。因此，大多數的輸出電流流過反饋電阻Rf，這樣一個值為IPRf電壓就分配在Rf上。另一方面，運算放大器的開環增益高達105，其反相輸入端的電位與同相輸入端的電位保持虛地。因此，運算放大器的輸出電壓Uo等于分配在電阻Rf上的電壓，即

U0=-IPRf.

23要知道什么是微通道板,先看什么是微通道?

MCP光電倍增管尺寸縮小，電子渡越時間短，陽極電流上升時間幾乎降低了一個數量級，有可能響應更窄的脈沖或更高頻率的輻射

MCP廣泛用于PMT,像增強器,微光電視,X光像增強器,高速示波管,以及光子計數,X射線,紫外光子,電子,離子,帶電粒子等的探測.

MCP是一種先進的具有傳輸增強電子圖象功能的電子倍增器,具有體積小,重量輕,分辨力好,增益高,噪聲低,工作電壓低.

MCP是一個含有許多小孔(通道)且表面涂有金屬膜的小玻璃盤,具有二次電子發射特性.

微通道是一根根很細的玻璃管。內壁鍍有高阻的二次發射材料，加高電壓后內壁將出現電位梯度，光電陰極發出的一次電子轟擊微通道的一端，發射出的二次電子因電場加速而轟擊另一處，再發射二次電子，這樣連續多次發射二次電子，可獲得約104的增益。§5.5微通道板光電倍增管

用微通道板代替PMT中的電子倍增極，就構成微通道板光電倍增管(MCP光電倍增管)。那么什么是微通道板?

大約有200-300萬個小孔,一個小孔對應一個通道,小孔的數目在很大程度上決定了它的分辨率

微通道板是由成千上萬根直徑為15～40μm、長度為0.6～1.6mm的微通道排成的二維列陣，簡稱MCP。24

為了獲得較高的增益，通道的長度不能太長。由于通道中存在殘余離子，這些正離子與電子的移動方向相反，撞擊管壁時將釋放出更多的二次電子，有可能產生雪崩擊穿；或者在負端離開通道，破壞光電陰極。所以一般將通道制成人字形或z形的折線通道，以減小離子自由飛行的路程，和由離子轟擊發射的二次電子。帶有兩個串聯的MCP光電倍增管的基本電路25二、極微弱光信號的探測——光子計數§5.6光電倍增管的應用

PMT具有靈敏度高和響應快特點，目前仍然是最常用的光電探測器之一，而且在許多場合還是唯一適用的光電探測器

PMT可用來測量光源在某個波長范圍內的輻射功率。它在元素的成分鑒定、各種化學分析和冶金學分析儀器中都有廣泛的應用。

PMT放大倍數很高，常用來進行光子計數。當測量光微弱到一定的水平時，探測器本身的背景噪聲(熱噪聲、散粒噪聲等)給測量帶來很大的困難。

一、光譜測量26三、射線的探測1.閃爍計數

閃爍計數是將閃爍晶體與光電倍增管結合在一起探測高能粒子的有效方法。常用的閃爍體是NaI(TI)，用端窗式光電倍增管與之配合。當高能粒子照到閃爍體上時，它產生光輻射并由倍增管接收轉變為電信號，而且，光電倍增管輸出脈沖的幅度與粒子的能量成正比。272.在醫學上的應用

射線探測在核醫學在醫學上已經應用的PET(PositionEmissionTomography)系統，這種正電子CT與一般CT的區別在于它可以對生物的動機能進行診斷

28正確使用光電倍增管，應該注意如下幾點1.陽極電流要小于1μA，以減緩疲勞和老化效應。2.分壓器中流過的電流應大于陽極最大電流的1000倍，但是不應過分加大，以免發熱。3.高壓電源的穩定性必須達到測量精度的10倍以上。電壓的紋波系數一般應小于0.001%。4.陰極和第一倍增極之間、末級倍增極和陽極之間的級間電壓應設計得與總電壓無關。5.用運算放大器作光電倍增管輸出信號的電流電壓變換，可獲好的信噪比和線性度。6.電磁屏蔽時最好使屏蔽筒與陰極處于相同電位。2912.光電倍增管參數的離散性很大，要獲得確切的參數，只能逐個測定。

7.光電倍增管使用前應接通高壓電源，在黑暗中放置幾小時。不用時應貯存在黑暗中。8.光電倍增管的冷卻溫度一般取-20℃9.在光電陰極前放置優質的漫射器，可減少因陰極區域靈敏度不同而產生的誤差。10.光電倍增管不能在有氦氣的