《光电发射器》课件.ppt

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1、第第4 4章章 光光电发射器件射器件光光电发射器件（真空光射器件（真空光电器件）是基于器件）是基于外光外光电效效应的的器件。器件。外光外光电效效应（光（光电发射效射效应）：当物：当物质中的中的电子吸子吸收足收足够高的光子能量，高的光子能量，电子将逸出物子将逸出物质表面成表面成为真空中真空中的自由的自由电子，子，这种种现象称象称为光光电发射效射效应或外光或外光电效效应。光光电发射效射效应中光中光电能量能量转换的基本关系的基本关系为：真空光电器件光电管被半导体器件取代光电倍增管特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小在探在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面微弱光信号及快速脉冲光信号方面应用很多

2、。用很多。缺点：结构复杂，工作电压高，体积大本章内容本章内容4.1 4.1 光电阴极光电阴极4.2 4.2 光电管和光电倍增管结构原理光电管和光电倍增管结构原理4.3 4.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数4.4 4.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路光光电发射阴极的主要作用是吸收光子能量射阴极的主要作用是吸收光子能量发射光射光电子，是我子，是我们光光电效效应发生的区域。生的区域。常将半常将半导体体发射材料涂于玻壳射材料涂于玻壳内壁，构成内壁，构成光光电阴极；阴极；而而阳极阳极是金属是金属环或者金属网，或者金属网，在其在其对面。面。4.1 4.1 光光电发射阴极射阴

3、极 光电阴极光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能是完成光电转换的重要部件，其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能！好坏直接影响整个光电发射器件的性能！（1 1）光光谱灵敏度灵敏度 在在单一波一波长辐射作用于光射作用于光电阴极阴极时，光，光电阴极阴极输出出电流流I Ik k与与单色色辐射通量射通量e,e,之比之比为光光电阴极的阴极的光光谱灵敏度灵敏度S Se,e,。即。即 其量其量纲为A/WA/W或或A/WA/W。光光电发射阴极的灵敏度包括射阴极的灵敏度包括光光谱灵敏度灵敏度与与积分灵敏度分灵敏度两两类。1 1、灵敏度、灵敏度一、光一、光电发射阴极的主要特性参数射阴极的主要特性参数4.1

4、4.1 光光电发射阴极射阴极 在某波在某波长范范围内的内的辐射作用于光射作用于光电阴极阴极时，光，光电阴极阴极输出出电流流I Ik k与入射与入射辐射通量射通量e e之比之比为光光电阴极的阴极的积分灵敏度分灵敏度S Se e。（2 2）积分灵敏度分灵敏度 1 1、灵敏度、灵敏度一、光一、光电发射阴极的主要特性参数射阴极的主要特性参数4.1 4.1 光光电发射阴极射阴极 量量纲为mA/WmA/W或或A/WA/W。（2 2）积分灵敏度分灵敏度 1 1、灵敏度、灵敏度一、光一、光电发射阴极的主要特性参数射阴极的主要特性参数4.1 4.1 光光电发射阴极射阴极 在可在可见光波光波长范范围内的内的“白光

5、白光”作用于光作用于光电阴极阴极时，光，光电阴极阴极电流流I Ik k与入射光通量与入射光通量v v之比之比为光光电阴极的阴极的白光灵敏度白光灵敏度S Sv v。即。即量量纲为mA/lmmA/lm。2 2、量子效率、量子效率一、光一、光电发射阴极的主要特性参数射阴极的主要特性参数4.1 4.1 光光电发射阴极射阴极 一定波一定波长的光子入射到光的光子入射到光电阴极阴极时，该光光电阴极阴极单位位时间发射出去的光射出去的光电子数子数N Ne,e,与入射的光子数与入射的光子数N Np,p,之比之比为光光电阴极的阴极的量子效率量子效率（或称量子（或称量子产额）。）。量子效率和光量子效率和光谱灵敏度是一

6、个物理量的两种表示方法。灵敏度是一个物理量的两种表示方法。3 3、光、光谱响响应一、光一、光电发射阴极的主要特性参数射阴极的主要特性参数4.1 4.1 光光电发射阴极射阴极 真空光真空光电器件中器件中长波灵敏度极限，主要由光波灵敏度极限，主要由光电阴极材料的阴极材料的长波限决定：波限决定：光光电阴极的光阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射灵敏度或量子效率与入射辐射波射波长的关系曲的关系曲线称称为光光谱响响应曲曲线。4 4、暗、暗电流流一、光一、光电发射阴极的主要特性参数射阴极的主要特性参数4.1 4.1 光光电发射阴极射阴极 光光电发射阴极中少数射阴极中少数处于于较高能高能级的的电子在室温下子在室

7、温下获得了得了热能能产生生热电子子发射，形成暗射，形成暗电流。光流。光电发射阴极的暗射阴极的暗电流与材料流与材料的光的光电发射射阈值有关。一般光有关。一般光电发射阴极的暗射阴极的暗电流极低，其流极低，其强度度相当于相当于1010-16-161010-18-18A/cmA/cm-2-2的的电流密度。流密度。1 1、单碱或多碱碱或多碱锑化物光化物光电阴极阴极二、光二、光电发射阴极材料射阴极材料4.1 4.1 光光电发射阴极射阴极 金属金属锑与碱金属与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，形成具中的一种化合，形成具有有稳定光定光电发射的射的发射物射物LiSbLiSb、KSbKSb、RbSbRbSb、

8、CsSbCsSb，其中，以，其中，以CsSbCsSb阴极的阴极的灵敏度最高，是最具有灵敏度最高，是最具有实用价用价值的光的光电发射材料射材料。（1 1）单碱碱锑化物化物 锑化化铯阴极在阴极在可可见光的短波光的短波长和近紫外区和近紫外区（m m）响）响应率最率最高，高，长波限在波限在m m附近；光照灵敏度附近；光照灵敏度6060A/lxA/lx，量子效率，量子效率30%30%，暗，暗电流流1010-16-16A/cmA/cm2 21 1、单碱或多碱碱或多碱锑化物光化物光电阴极阴极二、光二、光电发射阴极材料射阴极材料4.1 4.1 光光电发射阴极射阴极 当金属当金属锑与几种碱金属形成化合物与几种碱

9、金属形成化合物时，具有更高的响，具有更高的响应度，度，其中有双碱、三碱和四碱等，其中有双碱、三碱和四碱等，统称多碱称多碱锑化物光化物光电阴极。阴极。（2 2）多碱多碱锑化物化物 NaNa2 2KSbKSb：光：光谱响响应与与CsSbCsSb相近；峰相近；峰值波波长m m；量子效率；量子效率25%25%；光照灵敏度光照灵敏度5050A/lmA/lm。特点是特点是耐高温耐高温，工作温度可达，工作温度可达150150度，可用于石油勘探等度，可用于石油勘探等场合；合；热电子子发射小射小，室温下，室温下约为1010-17-171010-18-18A/cmA/cm2 2，可用于光子，可用于光子计数。数。1

10、 1、单碱或多碱碱或多碱锑化物光化物光电阴极阴极二、光二、光电发射阴极材料射阴极材料4.1 4.1 光光电发射阴极射阴极 （2 2）多碱多碱锑化物化物 NaNa2 2KSbKSb（CsCs）：）：锑钾钠铯阴极是三碱阴极中最有阴极是三碱阴极中最有实用价用价值的一的一种。它从种。它从紫外到近紫外到近红外外的光的光谱区都具有区都具有较高的量子效率，典型光高的量子效率，典型光照灵敏度照灵敏度为150150A/lmA/lm；长波限波限850nm850nm；热电子子发射射1010-14-141010-1616A/cmA/cm2 2，工作，工作稳定性好。定性好。2 2、银氧氧铯（Ag-O-CsAg-O-Cs

11、）阴极）阴极二、光二、光电发射阴极材料射阴极材料4.1 4.1 光光电发射阴极射阴极 1934 1934年研制的第一支年研制的第一支红外外变象管就采用象管就采用这种阴极，是最早出种阴极，是最早出现的的实用光用光电阴极。它的特点是阴极。它的特点是对近近红外外辐射灵敏。射灵敏。银氧氧铯光光电阴阴极极的的相相对光光谱响响应曲曲线有有两两个个峰峰值，一一个个在在350 350 nmnm处，一一个个在在800nm800nm处。光光谱范范围在在300nm300nm到到1200nm1200nm之之间。量量子子效效率率不不高高，峰峰值处约0.5%0.5%1%1%左左右右。银氧氧铯使使用用温温度度可可达达100

12、100，但但暗暗电流流较大，且随温度大，且随温度变化化较快。快。真空光真空光电管主要由管主要由光光电阴极阴极和和阳极阳极两部分两部分组成，因管内常成，因管内常被抽成真空而称被抽成真空而称为真空光真空光电管管。一、真空光一、真空光电管管4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 一、真空光一、真空光电管管4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、充气型光、充气型光电管的工作原理管的工作原理 有有时为了使某种性能提高，在管壳内也充入某些低气了使某种性能提高，在管壳内也充入某些低气压惰惰性气体形成性气体形成充气型的光充气型

13、的光电管管。这类管子体积较大，工作电压高达百伏到数百伏，玻璃外壳容易破碎，它的一般应用目前已基本被半导体光电器件代替。二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 光光电倍增管是一种建立在倍增管是一种建立在光光电效效应、二次二次电子子发射射和和电子子光学理光学理论基基础上的，把微弱入射光上的，把微弱入射光转换成光成光电子，并子，并获得倍增得倍增的重要的真空光的重要的真空光电发射器件。射器件。二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Phot

14、o Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 1 1、光、光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 光光电倍增管主要由倍增管主要由光入射窗、光光入射窗、光电阴极、阴极、电子光学系子光学系统、倍、倍增极增极和和阳极阳极等部分等部分组成。成。二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（1 1）入射窗）入射窗结

15、构构 光光电倍增管按倍增管按进光的方式分通常有光的方式分通常有侧窗窗和和端窗端窗两种形式。两种形式。侧窗型光窗型光电倍增管是通倍增管是通过管壳的管壳的侧面接收入射光，而端窗式光面接收入射光，而端窗式光电倍倍增管是通增管是通过管壳的端面接收入射光。管壳的端面接收入射光。二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（1 1）入射窗）入射窗结构构 侧窗式光窗式光电倍增管一般使用倍增管一般使用反射式反射式光光电

16、阴极，而且大多数采阴极，而且大多数采用鼠用鼠笼式倍增极式倍增极结构。构。侧窗式光窗式光电倍增管倍增管二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（1 1）入射窗）入射窗结构构 端窗式光端窗式光电倍增管通常使用倍增管通常使用半透明半透明光光电阴极，光阴极，光电阴极材料阴极材料沉沉积在入射窗的内在入射窗的内侧面。一般半透明光面。一般半透明光电阴极的灵敏度、均匀性阴极的灵敏度、均匀性比反射式阴极好，而且阴极面

17、可以做成各种大小。比反射式阴极好，而且阴极面可以做成各种大小。端窗式光端窗式光电倍增管倍增管二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（1 1）入射窗）入射窗结构构1 1）硼硅玻璃：透射光）硼硅玻璃：透射光谱范范围从从300nm300nm到到红外，不适合作紫外外，不适合作紫外辐射射窗口材料，能窗口材料，能较好地好地应用于用于闪烁计数；数；2 2）透紫外玻璃：紫外波段的截止波）透紫外玻璃：紫外波段的截止

18、波长约185nm185nm；3 3）熔融石英：透紫外波）熔融石英：透紫外波长可达可达160nm160nm，只能做管子的，只能做管子的头；4 4）蓝宝石；宝石；5 5）氟化）氟化镁。常用窗口材料常用窗口材料二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（2 2）电子光学系子光学系统二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2

19、 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（2 2）电子光学系子光学系统 电子光学系子光学系统是指光是指光电阴极至第一倍增极之阴极至第一倍增极之间的区域。的区域。电子子光学系光学系统在在结构上主要由构上主要由聚焦聚焦电极极和和偏偏转电极极组成。成。电子光学系子光学系统的作用：的作用：（1 1）使光）使光电阴极阴极发射的光射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增极上，子尽可能多的会聚到第一倍增极上，而将其他部分的而将其他部分的杂散散热电子散射掉，提高信噪比；子散射掉，提高信噪比；（2 2）光）光电阴极各部分阴极各部分发射的光射的光电子

20、到达第一倍增极所子到达第一倍增极所经历的的时间尽可能一致，保尽可能一致，保证光光电倍增管的快速响倍增管的快速响应。二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（2 2）电子光学系子光学系统电子收集率子收集率0 0达到达到85%85%以上；以上；渡越渡越时间的离散性的离散性t t是指阴极面上是指阴极面上各点所各点所发射的光射的光电子达到第一倍增子达到第一倍增极上各极上各处时产生的生的时间差，差，约为10n

21、s10ns。光电阴极光电阴极金属导金属导电层电层带孔膜片带孔膜片第一倍增极第一倍增极二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（3 3）电子倍增极子倍增极 二次二次电子子发射：具有足射：具有足够动能的能的电子子轰击某些材料某些材料时，材料，材料表面将表面将发射新的射新的电子，子，这种种现象称象称为二次二次电子子发射射。倍增极材料倍增极材料 通常把二次通常把二次发射的射的电子数子数N2N2与入射的一次与

22、入射的一次电子数子数N1N1的比的比值定定义为倍增极材料的倍增极材料的发射系数射系数二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（3 3）电子倍增极子倍增极 二次二次电子子发射步射步骤：材料吸收一次材料吸收一次电子的能量，激子的能量，激发体内体内电子到高能子到高能态，这些被激些被激发电子称子称为内二次内二次电子；子；内二次内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面运子中初速度指向表面的那一部分向表面运动

23、，在运，在运动过程中因散射而程中因散射而损失能量；失能量；如果达到界面的内二次如果达到界面的内二次电子仍有足以克服表面子仍有足以克服表面势垒的能量，即逸的能量，即逸出表面成出表面成为二次二次电子。子。二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（3 3）电子倍增极子倍增极 二次二次电子子发射与光射与光电发射的区射的区别：二次：二次发射射电子的子的过程由高程由高能能电子的激子的激发材料材料产生生电子子发射

24、，而不是光子激射，而不是光子激发所致。一般光所致。一般光电发射性能好的材料也具有二次射性能好的材料也具有二次电子子发射功能。射功能。倍增极材料倍增极材料二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（3 3）电子倍增极子倍增极 常用的倍增极材料有：常用的倍增极材料有：锑化化铯：在：在较低的低的电压下下产生生较高的高的发射系数；射系数；氧化氧化银镁合金（合金（AgMgOCsAgMgOCs）：可在）：可在较强

25、的的电流和流和较高的温度高的温度（150150度）下工作度）下工作倍增极材料倍增极材料二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（3 3）电子倍增极子倍增极 光光电倍增管中倍增极一般由几倍增管中倍增极一般由几级到十五到十五级组成，根据成，根据电子子轨迹迹的形式可分的形式可分为两两类：聚焦型和非聚焦型聚焦型和非聚焦型。倍增极倍增极结构构 凡是由前一倍增极来的凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚在下一倍增

26、极上，在子被加速和会聚在下一倍增极上，在两个倍增极之两个倍增极之间可能可能发生生电子束交叉的子束交叉的结构称构称为聚焦型；非聚焦聚焦型；非聚焦型形成的型形成的电场只能使只能使电子加速，子加速，电子子轨迹是平行的。迹是平行的。二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（3 3）电子倍增极子倍增极 根据根据电子倍增极的子倍增极的结构形式，目前光构形式，目前光电倍增管的倍增极分倍增管的倍增极分为六种形式：鼠

27、六种形式：鼠笼式、瓦片静式、瓦片静电聚焦型、盒聚焦型、盒栅式、百叶窗式、近式、百叶窗式、近贴栅式和微通道板式。式和微通道板式。倍增极倍增极结构构二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（3 3）电子倍增极子倍增极倍增极倍增极结构构n鼠鼠笼式式二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管

28、与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（3 3）电子倍增极子倍增极n瓦片静瓦片静电聚焦型聚焦型二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（3 3）电子倍增极子倍增极n盒盒栅式式二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管

29、的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（3 3）电子倍增极子倍增极n百叶窗式百叶窗式二、光二、光电倍增管（倍增管（PMTPMT，Photo Multiple TubePhoto Multiple Tube）4.2 4.2 真空光真空光电管与光管与光电倍增管的工作原理倍增管的工作原理 2 2、光、光电倍增管的倍增管的结构构（4 4）阳极）阳极 作用是接收从末作用是接收从末级倍增极倍增极发射出的二次射出的二次电子，通子，通过引引线向外向外输出出电流。流。对于阳极的于阳极的结构要求具有构要求具有较高的高的电子收集率，能承受子收集率，能承受较大的大的电流密度，阳极的流密度，阳极的输出出电容

30、要小，目前阳极广泛采用容要小，目前阳极广泛采用栅网状网状结构。构。1 1、灵敏度、灵敏度4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性(1)(1)阴极灵敏度阴极灵敏度 光光电倍增管阴极倍增管阴极电流流I Ik k与入射光与入射光谱辐射通量之比射通量之比,称称为阴极阴极的光的光谱灵敏度灵敏度，记为 在某波在某波长范范围内的内的辐射作用于光射作用于光电阴极阴极时，光，光电阴极阴极输出出电流流I Ik k与入射与入射辐射通量射通量e e之比之比为阴极的阴极的积分灵敏度分灵敏度SeSe。白光灵敏度或光照灵敏度白光灵敏度或光照灵敏度1 1、灵敏度、灵敏度4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增

31、管的基本特性(2)(2)阳极灵敏度阳极灵敏度 定定义光光电倍增管阳极倍增管阳极输出出电流流IaIa与入射光与入射光谱辐射通量之比射通量之比为阳极的光阳极的光谱灵敏度灵敏度，并，并记为 若入射若入射辐射射为某一波段范某一波段范围，则定定义为阳极阳极积分灵敏度分灵敏度阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度2 2、电流放大倍数（增益）流放大倍数（增益）4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性 光光电倍增管阳极倍增管阳极电流与阴极流与阴极电流的比流的比值，称，称为光光电倍增管的倍增管的电流放大倍数或称增益。流放大倍数或称增益。光光电倍增管倍增极的二次倍增管倍增极的二次电子子发射系数射系数与一次与一

32、次电子的加速子的加速电压U UDDDD有关，当有关，当电压在几十至几百伏在几十至几百伏时，可表示，可表示为 C C是常数，是常数，k k值与倍增极的材料和与倍增极的材料和结构有关。构有关。2 2、电流放大倍数（增益）流放大倍数（增益）4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性 例如，例如，对于于锑化化铯倍增极倍增极 如果光如果光电倍增管有倍增管有N N级倍增极，那么光倍增极，那么光电阴极阴极发射的光射的光电流流经过各各级倍增极倍增后，从阳极倍增极倍增后，从阳极输出的出的电流流为 对于氧化于氧化银镁合金倍增极合金倍增极 为电子光学系子光学系统的收集率；的收集率；和和 分分别是是1 1

33、，2 2n n级倍倍增极的二次增极的二次电子子发射系数和射系数和电子收集率。子收集率。2 2、电流放大倍数（增益）流放大倍数（增益）4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性 假定各倍增极的假定各倍增极的电子反射系数和子反射系数和电子收集率相等，子收集率相等，则电流放大倍数流放大倍数为：对于于锑化化铯倍增极材料倍增极材料 对银镁合金材料合金材料 3 3、暗、暗电流流4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性 光光电倍增管在倍增管在无无辐射射作用下的作用下的阳极阳极输出出电流流称称为暗暗电流流，记为I ID D。光。光电倍增管的暗倍增管的暗电流流值在正常在正常应用的情况下

34、是所有光用的情况下是所有光电探探测器件中暗器件中暗电流最低的器件。流最低的器件。(1)(1)热电子子发射射 由于光由于光电阴极材料的光阴极材料的光电发射射阈值较低，容易低，容易产生生热电子子发射，射，即使在室温下也会有一定的即使在室温下也会有一定的热电子子发射，并被射，并被电子倍增系子倍增系统倍增。倍增。降低光降低光电倍增管的温度是减小倍增管的温度是减小热发射暗射暗电流的有效方法。流的有效方法。3 3、暗、暗电流流4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性(2)(2)欧姆漏欧姆漏电 欧姆漏欧姆漏电主要指光主要指光电倍增管的倍增管的电极之极之间玻璃漏玻璃漏电、管座漏、管座漏电和和灰灰

35、尘漏漏电等。欧姆漏等。欧姆漏电通常比通常比较稳定，定，对噪声的噪声的贡献小。在低献小。在低电压工作工作时，欧姆漏，欧姆漏电成成为暗暗电流的主要部分。流的主要部分。光光电倍倍增增管管中中高高速速运运动的的电子子会会使使管管中中的的残残余余气气体体电离离，产生生正正离离子子和和光光子子，它它们也也将将被被倍倍增增，形形成成暗暗电流流。这种种效效应在在工工作作电压高高时特特别严重重，使使倍倍增增管管工工作作不不稳定定。降降低低工工作作电压会会减减小残余气体放小残余气体放电产生的暗生的暗电流。流。(3)(3)残余气体放残余气体放电3 3、暗、暗电流流4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特

36、性(4)(4)场致致发射射 光光电倍增管的工作倍增管的工作电压高高时还会引起管内会引起管内电极尖端或棱角的极尖端或棱角的场强太高太高产生的生的场致致发射暗射暗电流。流。显然降低工作然降低工作电压场致致发射暗射暗电流流也将下降。也将下降。当当部部分分电子子偏偏离离正正常常轨迹迹打打到到管管壁壁上上时会会出出现玻玻璃璃壳壳放放电或或玻玻璃璃荧光光现象象，引引起起暗暗电流流脉脉冲冲。为了了消消除除这种种形形式式的的暗暗电流流脉脉冲冲，可可使使管管子子工工作作在在高高阳阳极极电压和和阴阴极极接接地地的的供供电方方式式，在在玻玻壳壳外涂敷一外涂敷一层导电层和阴极相和阴极相连。(5)(5)玻璃壳放玻璃壳放

37、电和玻璃和玻璃荧光光4 4、噪声、噪声4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性 光光电倍增管噪声主要由倍增管噪声主要由散粒噪声散粒噪声和和负载电阻的阻的热噪声噪声组成。成。(1)(1)负载电阻的阻的热噪声噪声:主要来自主要来自负载电阻或运算放大器的反阻或运算放大器的反馈电阻和运算放大器的阻和运算放大器的输入阻抗。入阻抗。4 4、噪声、噪声4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性(2)(2)散粒噪声散粒噪声:由阴极暗由阴极暗电流流I Id d，背景，背景辐射射电流流I Ib b以及信号以及信号电流流I Is s的的散粒效散粒效应所引起的。所引起的。散粒噪声散粒噪声电流

38、将被逐流将被逐级放大，并在每一放大，并在每一级都都产生自身的散粒噪声。生自身的散粒噪声。如第如第1 1级输出的散粒噪声出的散粒噪声电流流为 4 4、噪声、噪声4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性(2)(2)散粒噪声散粒噪声:第第2 2级输出的散粒噪声出的散粒噪声电流流为 第第n n级倍增极倍增极输出的散粒噪声出的散粒噪声电流流为 设各倍增极的各倍增极的发射系数都等于射系数都等于，则倍增管末倍增极倍增管末倍增极输出的散出的散粒噪声粒噪声电流流为 4 4、噪声、噪声4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性(2)(2)散粒噪声散粒噪声:通常在通常在3 36 6之之间，

39、接近于接近于1 1，则光光电倍增管倍增管输出的散粒噪出的散粒噪声声电流流简化化为 总噪声噪声电流流为 4 4、噪声、噪声4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性(2)(2)散粒噪声散粒噪声:在在设计光光电倍增管倍增管电路路时，总是力是力图使使负载电阻的阻的热噪声噪声远小于散粒噪声小于散粒噪声 设光光电倍增管的增益倍增管的增益G=10G=104 4，阴极暗，阴极暗电流流I Idkdk=10=10-14-14A A，在室温，在室温300K300K情况下，只要阳极情况下，只要阳极负载电阻阻RaRa满足下式，足下式，计算算电路的噪声路的噪声时就可以就可以只考只考虑散粒噪声。散粒噪声。5

40、5、伏安特性、伏安特性4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性(1)(1)阴极伏安特性阴极伏安特性 当入射光当入射光电倍增管阴极面上的光通量一定倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极，阴极电流流I Ik k与与阴极和第一倍增极之阴极和第一倍增极之间电压(简称称为阴极阴极电压U Uk k)的关系曲的关系曲线称称为阴极伏安特性阴极伏安特性 当阴极当阴极电压较小小时阴极阴极电流流I Ik k随随U Uk k的增大而增加，直到的增大而增加，直到UkUk大于一定大于一定值(几十伏特几十伏特)后，阴极后，阴极电流流I Ik k才才趋向向饱和，且与入和，且与入射光通量射光通量成成线性关系。性关系。

41、5 5、伏安特性、伏安特性4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性(2)(2)阳极伏安特性阳极伏安特性 当入射到光当入射到光电倍增管上的光通量一定倍增管上的光通量一定时，阳极，阳极电流流IaIa与阳极和与阳极和末末级倍增极之倍增极之间电压(简称称为阳极阳极电压Ua)Ua)的关系曲的关系曲线称称为阳极伏安阳极伏安特性。特性。当阳极当阳极电压增大到一定程度后，增大到一定程度后，被增大的被增大的电子流已子流已经能能够完全被阳极完全被阳极所收集，阳极所收集，阳极电流流IaIa与入射到阴极面与入射到阴极面上的光通量上的光通量成成线性关系而与阳极性关系而与阳极电压的的变化无关。化无关。6 6

42、、线性性4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性 (1)(1)内因，即空内因，即空间电荷、光荷、光电阴极的阴极的电阻率、聚焦或收集效阻率、聚焦或收集效率等的率等的变化，化，(2)(2)外因，光外因，光电倍增管倍增管输出信号出信号电流在流在负载电阻上阻上的的压降降对末末级倍增极倍增极电压产生生负反反馈和和电压的再分配都可能破坏的再分配都可能破坏输出信号的出信号的线性。性。光光电倍增管的倍增管的线性一般由它的阳极伏安特性表示，它是光性一般由它的阳极伏安特性表示，它是光电测量系量系统中的一个重要指中的一个重要指标。线性不性不仅与光与光电倍增管的内部倍增管的内部结构有关，构有关，还与供与

43、供电电路及信号路及信号输出出电路等因素有关。路等因素有关。7 7、疲、疲劳与衰老与衰老4.3 4.3 光光电倍增管的基本特性倍增管的基本特性 光光电倍增管在正常使用的情况下，随着工作倍增管在正常使用的情况下，随着工作时间的的积累，灵累，灵敏度也会逐敏度也会逐渐下降，且不能恢复，下降，且不能恢复，这中中现象称象称为衰老。衰老。在在较强辐射作用下倍增管灵敏度下降的射作用下倍增管灵敏度下降的现象称象称为疲疲劳。这是是暂时的的现象，待管子避光存放一段象，待管子避光存放一段时间后，灵敏度将会部分后，灵敏度将会部分或全部恢复或全部恢复过来。来。1 1、电阻分阻分压式供式供电电路路4.4 4.4 光光电倍增

44、管的供倍增管的供电和信号和信号输出出电路路 1 1、电阻分阻分压式供式供电电路路4.4 4.4 光光电倍增管的供倍增管的供电和信号和信号输出出电路路（1)1)供供电电压的极性的极性1 1、电阻分阻分压式供式供电电路路4.4 4.4 光光电倍增管的供倍增管的供电和信号和信号输出出电路路（2)2)线性供性供电方式方式1 1、电阻分阻分压式供式供电电路路4.4 4.4 光光电倍增管的供倍增管的供电和信号和信号输出出电路路（2)2)线性供性供电方式方式 分分压器中流器中流过每每级电阻的阻的电流并不相等，但当流流并不相等，但当流过分分压电阻的阻的电流流I IR R远远大于大于I Ia a时，流，流过各分

45、各分压电阻阻R Ri i的的电流近似相等。工程上流近似相等。工程上常常设计I IR R大于等于大于等于1010倍的倍的I Ia a电流。流。I IR R10I10Ia a1 1、电阻分阻分压式供式供电电路路4.4 4.4 光光电倍增管的供倍增管的供电和信号和信号输出出电路路（2)2)线性供性供电方式方式选定定电流后，可以流后，可以计算出算出电阻阻链分分压器的器的总阻阻值R R R=Ubb/IR各分各分压电阻阻R Ri i为而而R R1 1应为R1=1.5 Ri1 1、电阻分阻分压式供式供电电路路4.4 4.4 光光电倍增管的供倍增管的供电和信号和信号输出出电路路（3)3)供供电电压 极极间供供

46、电电压U UDDDD直接影响着二次直接影响着二次电子子发射系数射系数，或管子的，或管子的增益增益G G。因此，根据增益。因此，根据增益G G的要求可以的要求可以设计出极出极间供供电电压U UDDDD与与电源源电压U Ubbbb。由由可以可以计算出算出U UDDDD与与U Ubbbb。1 1、电阻分阻分压式供式供电电路路4.4 4.4 光光电倍增管的供倍增管的供电和信号和信号输出出电路路（4)4)末末级并并联电容容1 1、电阻分阻分压式供式供电电路路4.4 4.4 光光电倍增管的供倍增管的供电和信号和信号输出出电路路（4)4)末末级并并联电容容电容容C C1 1、C C2 2与与C C3 3的的

47、计算公式算公式为 式中式中N N为倍增极数，倍增极数，I Iamam为阳极峰阳极峰值电流，流，为脉冲的持脉冲的持续时间，U UDDDD为极极间电压，L L为增益增益稳定度的百分数。定度的百分数。1 1、电阻分阻分压式供式供电电路路4.4 4.4 光光电倍增管的供倍增管的供电和信号和信号输出出电路路（5)5)供供电电压的的稳定度定度光光电倍增管的倍增管的电流增益流增益稳定度与极定度与极间电压稳定度的关系定度的关系 对锑化化铯倍增极倍增极 对银镁合金倍增极合金倍增极 由于光由于光电倍增管的倍增管的输出信号出信号U Uo o=GS=GSk kv vR RL L，因此，因此，输出信号的出信号的稳定度与

48、增益的定度与增益的稳定度有关定度有关 例例4-1 4-1 设入射到入射到PMTPMT上的最大光通量上的最大光通量为v v=1210=1210-6-6lmlm左右，当采左右，当采用用GDB-235GDB-235型倍增管型倍增管为光光电探探测器，已知它的倍增器，已知它的倍增级数数为8 8级，阴，阴极极为SbCsSbCs材料，倍增极也材料，倍增极也为SbCsSbCs材料，材料，S SK K=40A/lm=40A/lm，若要求入射，若要求入射光通量在光通量在610610-6-6lmlm时的的输出出电压幅度不低于，幅度不低于，试设计该PMTPMT的的变换电路。若供路。若供电电压的的稳定度只能做到定度只能

49、做到0.01%0.01%，试问该PMTPMT变换电路路输出信号的出信号的稳定度最高能达到多少？定度最高能达到多少？解解:(1):(1)首先首先计算供算供电电源的源的电压根据根据题目目对输出出电压幅度的要求和幅度的要求和PMTPMT的噪声特性，可以的噪声特性，可以选择阳极阳极电阻阻R Ra a=82k=82k，阳极，阳极电流流应不小于不小于I Iaminamin，因此，因此 Iamin=UO/Ra入射光通量入射光通量为0.6100.610-6-6lmlm时的阴极的阴极电流流为 IK=SKv=4010-60.610-6=2410-6A此此时，PMTPMT的增益的增益G G应为 总电源源电压U Ub

50、bbb为 Ubb=（N）UDD=741V (2)(2)计算偏置算偏置电路路电阻阻链的阻的阻值设流流过电阻阻链的的电流流为I IRiRi，流，流过阳极阳极电阻阻R Ra a的最大的最大电流流为Iam=GSKvm=1.021054010-61210-6取取IRi10 Iam，则 IRi=500A因此，因此，电阻阻链的阻的阻值Ri=UDD/IRi=156k 取取Ri=120 k，R1i=180 k。(3)(3)计算偏置算偏置输出信号出信号电压的的稳定度最高定度最高为 一、计算题一、计算题1、GDB20的阴极光照灵敏度为的阴极光照灵敏度为60A/lm，阴极面的有效直径为，阴极面的有效直径为15mm，倍