第3章光电子发射探测器.ppt

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1、光电信号检测,第三章 光电子发射探测器,光电子发射探测器是基于外光电效应的光电探测器，也称为真空光电探测器。在光辐照下，探测器内光敏材料的电子得到足够的光子能量后，就会逸出光敏材料表面而进入外界空间，在空间电场的作用下便形成电流。 光电子发射探测器主要包括光电管和光电倍增管两类。 光电倍增管的特点： 具有较高的内增益，其二次发射增益因子可高达107； 响应速度快。 应用：广泛应用于航天、遥感、材料、生物、医学等领域。 用于探测微弱光信号及快速脉冲弱光信号。,当光照射某种物质时，若入射光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这就是光电子发射效应（外光电效应），逸出物质表

2、面的电子叫光电子。 爱因斯坦方程电子能量转换公式,3-1 光电子发射效应,逸出功 或功函数,电子逸出物质表面时的动能,一、 金属的光电子发射,金属中自由电子的能量服从费米分布。,散射损耗,表面势垒高度，即金属对电子的亲和势,费米能级，也是能量最大的电子的能量,入射光子能量,光电子动能,T0的电子：,T0K时，有一部分电子的能量比费米能级EF高出E，电子的最大动能高于T0K时的情况。,性能优异的原因： 反射系数小，吸收系数大 阴极导电性适中能量损耗小，电子补充不困难 大量的发射中心（价带电子密度高） 逸出功小量子效率高,二、半导体的光电子发射,半导体中光电子发射的过程： 1. 对光子的吸收： 本

3、征发射：光电子来源于价带；量子效率高（2030） 杂质发射：光电子来源于杂质能级；量子效率低（1） 自由载流子发射：光电子来源于自由电子；可忽略,2. 光电子向表面的运动： 要克服晶格散射，与价电子碰撞等的能量耗散（表面特性影响其量子效率）。 吸收系数越大，光子穿越深度越浅，发射效率越高。 另外，要选择Eg值，避免二次电子空穴的产生。,3. 克服表面势能的逸出： 光电子从发射中心激发后，从导带底逸出所需的最低能量要大于逸出功,半导体的逸出功由两部分组成：,光电子发射材料的分类： 纯金属材料 掺杂金属或半导体：表而吸附一层其他元素原子的金属和半导体材料； 光电阴极应用最广：用作光电管、光电倍增管

4、、变像管、像增强器和一些摄像管等光电器件中的光电阴极。 作用：将不同波长的各种辐射信号转换为电信号，因此，光电子发射材料决定了光电器件的各项性能。,3-2 光电子发射材料,一、光电阴极的主要参数,1. 光照灵敏度（光照灵敏度色光灵敏度光谱灵敏度） （1）光照灵敏度：表示光电阴极在一定的白光(通常为色温2856K的钨丝灯)照射下，阴极光电流与入射的光通量之比。光照灵敏度也称白光灵敏度或积分灵敏度，单位为A/lm。,(2)色光灵敏度：就是局部光谱区域的积分灵敏度。它表示在某些特定的波长区，通常用特性已知的滤光片(蓝色为QB24、红色为HB11、红外为HWB3)插入光路，然后测得,的光电流与未插入滤

5、光片时阴极所受光照的光通量之比。 根据插入滤光片的光谱透射比的不同，它又分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度及红外灵敏度。 它们与光照灵敏度的比值分别称为蓝白比、红白比和红外白比。,(3)光谱灵敏度：表示某一波长的单色辐射照到光电阴极上，阴极光电流与入射的单色辐射通量之比。 用S()表示，单位为mA/W或AW。,2量子效率 量子效率：它表示一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴极所发射的光电子数Ne()与入射的光子数NP()之比值，称为量子产额，用符号Q()表示，即 量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。它们之间的关系如下：,3光谱响应曲线 光电阴极的光谱灵敏度（或量子效率）与入射辐射波长的

6、关系曲线，称为光谱响应曲线。真空光电器件中的长波灵敏度极限，主要由光电阴极材料的长波限0决定。 4热电子发射 光电阴极中有少数电子的热能大于光电阴极逸出功，因而产生热电子发射。室温下典型阴极每秒每平方厘米发射二个数量级的电子，相当于10161017Acm2的电流密度。这些热发射电子会引起噪声，限制着探测器的灵敏度极限。,二、常用的光电发射材料,一个良好的光电发射材料应具备下述条件： (1)光吸收系数大； (2)光电子在体内传输过程中受到的能量损失小； (3)表面势垒低，使表面逸出几率大。 金属由于其反射系数大、吸收系数小、体内自由电子多而引起碰撞损失能量大、逸出功大等原因而不满足上述三个条件。

7、大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外区，只能适应对紫外灵敏的光电探测器。 半导体光发射材料的光吸收系数比金属要大得多，体内自由电子少，散射能量损失小，因此其量子效率比金属大得多，光发射波长延伸至可见光和近红外波段范围。,1. 银氧铯阴极 银氧绝阴极是以Ag为基底、氧化银为中间层，上面再有一层带有过剩Cs原子及Ag原子的氧化铯，而表面由Cs原子组成。其灵敏度较低。,2单碱锑化物光电阴极 碱金属与锑、铅、铋、铊等生成的金属化合物具有极其优越的光电发射性能，量子效率高。,3多碱锑化物光电阴极 当锑和几种碱金属形成化合物时，具有较高的响应度，其中有双碱、三碱和四碱等，统称多碱光电阴极。从紫外到近红外的

8、光谱区都具有较高的量子效率。 4紫外光电阴极 对可见光灵敏的光电阴极，对紫外光也具有较高的量子效率。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”型光电阴极。 目前比较实用的“日盲”型光电阴极有锑化铯(CeTe)和碘化铯(CeI)两种，锑化铯阴极长波限为0.32m，而碘化铯阴极的长波限为0.2m。,三、负电子亲和势材料,前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲和势(PEA)类型，表面的真空能级位于导带之上。 但如果给半导体的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经这种特殊处理的阴极称作负

9、电子亲和势光电阴极(NEA)。,负电子亲和势（NEA）材料特点：,（1）量子效率高 负电子亲和势阴极因其表向无表面势垒，所以受激电子跃迁到导带并迁移到表面后，不需克服表面势垒就可以较容易地逸出表面。 受激电子在向表面迁移过程中，因与晶格碰撞，使其能量降到导带底而变成热化电子后，仍可继续向表面扩散并逸出表面。 对于正电子亲和势光电阴极来说，激发到导带的电子必须克服表面势垒，只有高能电子才能发射出去，所以负电子亲和势光电阴极的有效逸出深度要比正电子亲和势阴极大得多。,（2）光谱响应延伸到红外，响应率均匀,正电子亲和势长波限为 负电子亲和势长波限为,(3)热电子发射小，噪声小 (4)光电子的能量集中

10、空间分辨率、时间分辨率 (5)光谱响应率平坦,常用阴极有：GaAs/InGaAs/GaAsP 光谱特性曲线： 量子效率高 谱线平坦,3-3 光电倍增管,光电倍增管(PMT)是一种建立在光电子发射效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转换成光电子并获倍增的重要的真空光电发射器件。,构成：光电阴极、电子光学聚焦系统、倍增极（打拿极）、阳极,K是光电阴极，可根据设计需要采用不同的光电发射材料制成。 D为聚焦极，它与阴极共同形成电子光学聚焦系统，将光电阴极发射的电子会聚成束并通过膜孔打到第一倍增极D1上。 D1D10为倍增极（打拿极），所加电压逐级增加。 a为收集电子的阳极。 在高速初

11、电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子，这些电子在电场作用下，又打到第二倍增极处，又引起更多的二次电子发射，此过程一直继续到D10。最后，经倍增的光电子被阳极a收集而输出光电流，在负载RL上产生信号电压。,一、光电倍增管的工作原理,二、光电倍增管结构,光电倍增管由光电阴极，电子光学输入系统（光电阴极到第一倍增极D1之间的系统）、二次发射倍增系统及阳极等构成。 电子光学系统有两方面的作用： (1)使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散电子散射掉，提高信噪比； (2)使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间，以保证光电倍增管的快速响应。

12、,电子学系统 1,1.是光电阴级， 2.是与光电阴极同电位的金属筒或镀在玻壳上的金属导电层， 3.是带孔膜片， 4.是第一倍增极。 这种电子光学系统的收集率在85以上，渡越时间的离散性(指阴极面上各点所发射的光电子到达第一倍增极上各处时产生的时间差) t 约为10ns。,电子学系统 2,为了使小型光电倍增管的倍增极合理安排在管壳内（具有对称性），充分利用玻璃管内的空间，同时保证有高的电子收集率，可采用图示的电子光学系统。 图中增加了斜劈式圆柱筒电极4，该电极固定在偏心的带孔膜片上，其轴线与阴极的轴线之间的夹角取20o。这种结构的性能与前者相近。,电子学系统 3,性能最好的一种电子光学系统，它采

13、用了球面形光电阴极，并附加了3个圆筒形电极。 此时，阴极表面电位分布比较均匀，而且从阴极中心和边缘发射的电子轨迹长度相差甚小，可使渡越时间的离散性接近于零。,倍增极结构,光电倍增管的倍增极结构分为聚焦型和非聚焦型两种。 非聚焦型：百叶窗式结构和盒网式结构两种； 聚焦型：直列聚焦式结构和圆形鼠笼聚焦式结构两种。,倍增极结构 1,百叶窗式结构：在每一倍增极中采用了若干小板，这些小板与光电倍增管轴线成45o角，其倾斜方向与前一倍增极相反，互成90o角。 为了从相邻的前一倍增极引出低能量的初级电子，每个倍增极前面都接金属栅网，形成等电位体，以屏蔽前一级的影响。,倍增极结构 2,盒网式结构：它的倍增极由

14、1/4圆弧盒组成，前面接有金属网，金属网的作用与百叶窗式结构相同。 盒网式结构便于做得体积小，小型光电倍增管大多采用这种结构；而百叶窗式结构则往往适用于大直径的器件，因为这种倍增极的直径可以做得较大，易于收集光电阴极所发射的电子。,非聚焦式光电倍增管,在以上两种形式的倍增极中，倍增极表面的电场比较低，因而所发射的电子究竟打到下一倍增极的哪一点上，在很大程度上取决于电子的初始位置和速度。因此，这种光电倍增管叫做非聚焦式光电倍增管。 这种结构的特点是： 倍增极的效率高，在低的极间电压下能给出高的倍增系数； 每一对倍增极的工作状态基本上与邻近的倍增极电压无关； 非聚焦式结构由于电子散射效应，使得在同

15、一时间从光电阴极中心和边缘处发射并经倍增极倍增的一束电子不能在同一时间到达阳极，导致电子渡越时间的散差。这种时间散差使脉冲信号的前沿变斜。因此，非聚焦型光电倍增管的响应时间比聚焦型差。,倍增极结构 3,直列聚焦式结构 倍增极的形状类似瓦片，它的曲度能提供一个聚焦电场，使前一级电子流射到下级倍增极中央。 另外，倍增极的表面电场强度比较高，而且住往有一个或多个附加电极，用以抑制空间电荷效应或渡越时间的“散差”，因此，它的响应时间快，脉冲信号的上升时间小到1ns。,倍增极结构 4,圆形鼠笼式结构和不透明光电阴极相配合，可以做成小巧紧凑的聚焦型光电倍增管。 它的渡越时间“散差”也很小，脉冲信号的上升时

16、间可达纳秒级。,聚焦型结构的缺点：每对倍增极的工作状态与邻近倍增极的电压有关，所以对供电电源的稳定度要求很高。,光电倍增管的阳极,采用栅网状结构。,栅网状阳极,末级倍增极,二次电子,一次电子,三、光电倍增管的基本特性参数,1灵敏度和光谱响应度 阴极灵敏度SK： (Alm) 阴极电流 iK：由光电阴极发射到第一倍增极D上的电流。 入射到光电阴极的光通量为， 阳极灵敏度Sa： (Alm) 阳极电流 ia：光电信增管的输出电流。,阴极电流光谱响应度RK() RK()是入射光波长为时的阴极电流，()是量子效率，PI()是波长为时的光功率，q为电子电荷电量。 阳极电流光谱响应度Ra() 阴极积分电流响应

17、度RK 阳极积分电流响应度RA,G为放大倍数（电流增益）,2. 暗电流 引起暗电流的因素： (1)光电阴极和第一倍增极的热电子发射。在室温下即使无光照也会有部分电子逸出表面，经放大到达阳极成为暗电流。这是光电倍增管的主要暗电流。 (2)极间漏电流。由于光电倍增管各级绝缘强度不够或极间灰尘放电引起漏电流。 (3)离子和光的反馈作用。由于抽真空技术限制，管内总存在一些残余气体，它们被运动电子碰撞电离，电离的电子经放大形成暗电流。另外，这些离子打在管壁上产生荧光再反射至阴极造成光反馈，形成暗电流。 (4)场致发射。场致发射是一种自持放电。其原因是因为电极上的尖端、棱角、粗糙边缘在高压下(一般场强达1

18、05Vcm或极间电压大于200V)才发生。 (5)放射性同位素和宇宙射线的影响。因光电倍增管的光窗材料含K40(钾)，它衰变产生一种发光的粒子；宇宙射线中的介子穿过窗而成为光子。它们射到光电阴极上而产生种暗电流(可采用一种无钾的石英窗来大大减弱)。,减少暗电流的方法： 主要是选好光电倍增管的极间电压。有了合适的极间电压可避开光反馈、场致发射及宇宙射线等造成的不稳定状态的影响。其余还可按下述方法来减少： 在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成份来补偿； 在倍增输出电路中加一选频或锁相放大器滤掉暗电流； 利用冷却法减小热电子发射。,3伏安特性 (1)阴极伏安特性 当入射照度E一定时，阴极发射电流IK

19、与阴极和第一倍增极之间的电压(简称阴极电压)VK的关系称为阴极伏安特性。 图为不同照度下测得的特性曲线。当阴极电压大于一定值(几十伏)后，阴极电流开始趋向饱和，与入射光通量成线性变化。,(2)阳极伏安特性 当入射光照度一定时，阳极电流Ia与最后一级倍增极之间的电压(简称阳极电压)Va的关系称为阳极伏安特性。图为不同照度下测得的特性曲线，当阳极电压达50V以后，阳极电流趋向饱和，与入射到阴极面上的照度成线性关系。,4. 线性 光电倍增管的线性是光电测量系统中的一个重要指标。 它既与光电倍增管的内部结构有关，在很大程度上也取决于外部的高压供电电路及信号输出电路。 造成非线性的原因可分为两类： 内因

20、空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率的变化； 外因由于信号电流造成负载电阻的负反馈和电压的再分配。,5. 稳定性 光电倍增管的稳定性主要是指阳极电流随工作时间的变化。 光电倍增管的不稳定性主要表现在以下方面： (1)在长期工作过程中，灵敏度的慢漂移。 如图所示，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。这种漂移主要取决于阳极电流的大小，而与所加的高压关系不太大。因此，在稳定性要求比较高的场合，阳极光电流应控制在1A以下。,(2)滞后效应 在光电倍增管加上高压或开始光照的短时间(几秒或几十秒)内，阳极输出电流存在短暂的不稳定，电流可能比稳定值大些，也可能小一

21、些，这种不稳定现象称为滞后效应。 滞后效应主要由于电子偏离设计的轨迹以及倍增极的陶瓷支架和玻壳等静电作用引起的。当入射的光照变化，而所加的电压也跟随着变化时滞后效应特别明显。,先使光电倍增管在正常条件下工作5分钟，然后停止光照1分钟，再重新升启光照，测量光电倍增管在受照1分钟内输出电流的变化。,滞后系数,(3)老化 光电倍增管的残余气体与光电阴极作用，玻璃中的Na离子渗入光电阴极而使灵敏度下降的现象称为老化，是一种不可逆过程。 解决办法： 把新的光电倍增管自然老化一段时间后再使用； 使用的阳极电流小一些可减慢老化过程。 (4)疲劳 是可逆过程，同阳极电流、倍增极材料以及使用前存放条件有关。 灵

22、敏度降低后，在黑暗中放置几小时可恢复到原来状态。,6时间特性和频率特性 (1)上升时间 光电倍增管的阳极输出脉冲上升时间定义为整个光电阴极在函数的光脉冲照射下，阳极电流从脉冲峰值的10上升到90所需的时间。,(2)渡越时间 一个函数的光脉冲到达光电阴极至阳极输出脉冲电流达到最大值的时间间隔定义为光电子的渡越时间。,(3)渡越时间离散 表示函数光脉冲照到光电阴极的不同区域，发射的电子到达阳极的渡越时间的不一致性。,聚焦型倍增极的渡越时间离散低,7. 磁场特性 大部分光电倍增管都会受到周围环境磁场的影响。光电子在磁场的作用下将会偏离正常的运动轨迹，引起光电倍增管灵敏度下降，噪声增加。 外部磁场对光

23、电倍增管的影响程度与管子的结构和磁场的方向有关。 图中是直径为51mm的百叶窗式光电倍增管的典型特性曲线。从图中可见，即使在地球磁场作用下，管子旋转或换一个方向工作，输出信号都会产生明显的变化。,(a)沿轴向指向阳极 (b)沿轴向指向阴极 (c)垂直轴线和百叶方向 (d)垂直轴线沿百叶方向,减小外部磁场影响的方法： 在管子外部加一个磁屏蔽筒，但屏蔽筒边缘的磁屏蔽作用明显减弱。,磁屏蔽度,8空间均匀性 主要由光电阴极表面的均匀性和倍增极的结构决定。 在光电倍增管聚焦极设计时，虽然考虑到从光电阴极或倍增极发射的电子能被第一或以后各级有效地收集，但一些电子仍可能会偏离设计轨迹，使收集效率降低，收集效

24、率随发射光电子的光电阴极位置变化而变化，从而影响光电倍增管的空间均匀性。 图中表示在某一端窗式光电倍增管的光电阴极上分别用波长为400nm和800nm，直径为1mm的光点在X和Y两个方向上扫描，测出的阳极输出电流与光点位置的函数关系，即光谱灵敏度与光电阴极位置的关系。,措施：1)光斑均匀 2)加漫射器(对于偏振光，降低偏振度，减小偏振误差),9偏振效应 如果用恒定的线偏振光以某一角入射到光电阴极面上，当不断改变偏振面时，阳极输出电流也会发生相应的变化。 图中为用不同波长的线偏振光测量时得到的特性曲线。一般的光电测量系统中，测量光往往都存在一定程度的偏振，如果测量光的偏振度或偏振方向是随时变化的

25、，就可能会引起较大的偏振误差。 解决方法：在光电倍增管前安装漫射器，以减少这类误差。,相对输出,偏振光偏振角度/（o）,10. 噪声 光电倍增管的噪声主要是散粒噪声，包括阴极电流产生的散粒噪声和各级倍增极产生的散粒噪声。 阴极散粒噪声的均方值 阳极散粒噪声的均方值 K为过剩噪声因子，表征倍增系统所引入的散粒噪声。 降噪措施：增加第一倍增极的倍增系数1,：其他各级的倍增系数,四、光电倍增管材料 1）窗口材料： 考虑波段、材料本身特性的影响。 常用材料：硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、蓝宝石、MgF2。 2）倍增极材料： 用二次电子发射系数表示倍增极材料的性能； 光电性能良好的材料也是良好的二次电

26、子发射体。 常用材料：锑化铯、银镁合金、铜铍合金、负电子亲和势材料。,它的核心是一块由许多外径仅100m左右的细空心玻璃纤维纵向紧密排列而成的薄片。 管壁具有较高的二次电子发射系数。 板的两个端面用电镀的方法涂覆一层金属作为电极，形成加速电场。,1. 结构,3-4 微通道板光电倍增管,2. 工作原理 以一定角度射入通道的电子及由其碰撞管壁释放出的二次电子在这个纵向电场的作用下，将沿着管轴曲折前进。每一次曲折就产生一次倍增。 而在前后两次碰撞之间，电子又获得100200V电压的加速，电子在管内径为微米的几毫米厚的通道板中进行多次曲折可获得107108的增益，超过了一般光电倍增管的水平。,3. 优

27、点 高增益：107108 低噪声 高分辨率 低功耗 能传输二维图像,4. 增益 微通道板的电流增益与板的结构尺寸和工作电压有密切关系。 由图可见，微通道板的增益存在一个最大值，该值随工作电压的增高而增大。在峰值附近，增益曲线比较平坦。 相对口径：L/d,相对口径L/d,电流增益G,5. 微通道板的自饱和特性 自饱和：当输入电流密度增至一定程度后，其输出电流将不再增加。 原因：由于通道管壁上维持二次电子发射的传导电流与反向的二次电子所形成的附加电流共同作用产生的电阻效应所致。 特点： (1)这种自饱和现象可以在各个通道中独立地发生而不影响相邻的通道。饱和效应的恢复时间小于人眼的时间常数，所以出现了饱和效应的通道可以很快自行恢复。 (2)在观察局部强光(如车灯、信号弹、爆破、发射等)的图像时，强光部位的增益将因通道板的自饱和特性而受到抑制，因此，观察者不会感到刺眼、晃动，更保护了荧光屏免遭因局部光强过强而被烧坏。,作业,62页：6题 88页：9、11、12(2) 题 用单页纸答题 作业情况记入期末成绩，约占10。 3月25日（下次上课时）交,