光电技术PMT课件.ppt

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1、5光电发射效应及其PMT3.5.1光电发射效应------外光电效应（一）光电发射原理金属或半导体在光的照射下吸收光子激发出自由电子，当吸收的能量足以克服原子核对电子的束缚时，电子就会脱离原子核逸出物质的表面，这就是物质的光电发射现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。（二）光电效应三定律1.光电发射第一定律——斯托列托夫定律：当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射辐射通量（光强度）成正比：I：饱和光电流；k：光电发射灵敏度系数；：入射辐射通量；2.光电发射第二定律光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与

2、入射光强度无关：外光电效应发生的条件：3.光电效应中有红限存在，即光电发射的长波限为：（三）光电发射的基本过程光电发射大致可分三个过程：1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出，形成光电子。光电发射的基本过程（四）相关材料特性良好光电发射材料的标准光吸收系数大,以便产生较多的受激电子；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其逸出深度大；表面势垒低，

3、使表面逸出几率大；具有一定的电导率。因为电子出去以后，还要从外部电源补充电子。满足上述4点的材料就会得到较高的量子效率，是好的光电发射材料。为什么纯金属不适合用作光电阴极材料？金属材料是否满足上述4点？——其反射率为90%，吸收光能少；——体内自由电子多，由于碰撞引起的能量散射损失大，逸出深度小；——逸出功大（>3eV），难逸出金属表面，量子效率低；——光谱响应在紫外或远紫外区（红限不长于600nm），适于紫外灵敏的光电器件。半导体作阴极的优点光吸收系数比金属大；体内自由电子少，光电子在运动过程中的能量损失小，故量子效率比金属大；价带中的电子浓度大，电子逸出功小；光发射波长延伸至可见

4、光、近红外波段。70年代后期——在半导体光电发射材料的基础上，发展了负电子亲和势光电阴极，长波可至1.6um。EAEAEANP本征半导体P型半导体N型半导体电子亲和势（EA）——指导带底上的电子向真空逸出所需要的能量。光电逸出功——指材料在绝对零度时光电子逸出表面所需的最低能量。描述材料表面对电子束缚的强弱。5.2光电倍增管(PMT---Photo-multipletube)利用外光电效应和二次电子发射效应相结合，把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增的一种真空光电探测器件，极大地提高了检测灵敏度。放大倍数很高，用于探测微弱信号；光电特性的线性关系好；工作频率高；性能稳定

5、，使用方便；供电电压高；玻璃外壳，抗震性差；价格昂贵，体积大；一、光电倍增管的结构与原理——光窗（Inputwindow)——光电阴极(Photocathode)——电子光学系统——电子倍增系统(Dynodes)——阳极(Anode)1、光窗入射光的通道；光窗材料决定了PMT光谱特性的短波阈值;PMT光谱特性的长波阈值由什么因素决定?光窗通常有侧窗和端窗两种类型；常用窗口材料有：硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、蓝宝石和氟化镁等；光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面,接收入射光,向外发射光电子。透射型反射型2、光电阴极（1）结构——把光电发射体镀在金属或透明材料（玻璃或石英玻璃）上就制成了

6、光电阴极。（2）常用材料：Ag-O-Cs：近红外唯一具有使用价值的阴极材料；CsSb：可见、紫外区有较高的响应率;多碱光电阴极（双、三、、四碱）；负电子亲和势材料3、电子光学系统——是指光电阴极至第一倍增极之间的区域。电子光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极组成电子光学系统的主要作用：（1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增极的有效区域内；而将其它部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比。（2）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增极所经历的时间尽可能一致，保证PMT的快速响应。倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由二次电子发射体构成。二次电子发射效应当有足

7、够动能的电子轰击某种材料时,材料表面发射新的电子的现象。称入射电子为一次电子,从材料表面发射的电子为二次电子。用该材料的二次发射系数表征材料发射电子的能力：4、电子倍增系统二次电子发射的过程：材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态（二次电子）；体内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面运动；到达界面的二次电子中能量大于表面势垒的电子发射到真空中，成为二次电子。要求：二次电子发射系数要大倍增极材料主要是Ag-O-Cs、CsSb，灵敏的光电发射体一般