光电倍增管工作原理课件.ppt

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1、4.1　光電陰極一、光電陰極的主要參數1.靈敏度(1)光照靈敏度(2)色光靈敏度(3)光譜靈敏度就是局部光譜區域的積分靈敏度。它表示在某些特定的波長區，通常用特性已知的濾光片（藍色為QB24、紅色為HB11、紅外為HWB3）插入光路，然後測得的光電流與未插入濾光片時陰極所受光照的光通量之比。根據插入濾光片的光譜透射比的不同（圖4-1），它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏度。2.量子效率量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法。它們之間的關係如下(4.1)：式中λ單位為nm；S(λ)為光譜靈敏度，單位為A/W。3.光譜響應曲線光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與

2、入射輻射波長的關係曲線，稱為光譜響應曲線。真空光電元件中的長波靈敏度極限，主要由光電陰極材料的截止波長決定。4.熱電子發射光電陰極中有少數電子的熱能大於光電陰極游離能，因而產生熱電子發射。室溫下典型陰極每秒每平方厘米發射二個數量級的電子，相當於10∼10Acm的電流密度。這些熱發射電子會引起雜訊，限制著感測器的靈敏度極限。二、銀氧銫（Ag-O-Cs）光電陰極銀氧銫陰極是最早出現的實用光電陰極。目前，除了Ⅲ-Ⅴ族的光電陰極外，它仍然是在近紅外區具有使用價值的唯一陰極。銀氧銫陰極是以Ag為基底，氧化銀為中間層，上面再有一層帶有過剩Cs原子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子組

3、成，可用Ag−CsOAgCs-Cs的符號表示，如圖4-2⒜所示。有一些光電元件也有不用氧化，而是用硫化，或以鹼金屬代替銫原子，目的都是希望得到高的響應率及合適的光譜響應範圍。Ag-O-Cs光電陰極的光譜響應曲線如圖4-2⒝所示。三、單鹼銻化物光電陰極銻銫陰極的典型光譜響應曲線如圖4-3所示。它在可見光的短波區和近紫外區（0.3∼0.45μm）響應度最高，其量子效率可達25%，截止波長在0.65μm附近；它的典型光照靈敏度達60μA/lm，比銀氧銫陰極高得多。CsSb陰極的熱電子發射（約10A/cm）和疲勞特性均優於銀氧銫陰極，而且製造技術簡單，目前使用比較普遍。四、多鹼銻

4、化物光電陰極五、紫外光電陰極六、負電子親和力光電陰極現以Si-CsO光電陰極為例加以說明，它是在p型Si的基質材料上塗一層極薄的金屬Cs，經特殊處理而形成n型CsO。表面為n型的材料有豐富的自由電子，基底為p型材料有豐富的電洞，它們相互擴散形成表面電荷局部耗盡。與p-n接面情況類似，耗盡區的電位下降E，造成能帶彎曲，如圖4-4⒝所示。圖4-4⒜分別表示p型Si和n型CsO兩種材料的能帶圖。本來p型Si的發射臨界值是，電子受光激發進入導電帶後需克服親和力才能游離出表面。現在由於表面存在n型薄層，使耗盡區的電位下降，表面電位降低。光電子在表面附近受到耗盡區內建電場的作用，從S

5、i的導電帶底部漂移到表面CsO的導帶底部。此時，電子只需克服就能游離出表面。對於p型Si的光電子需克服的有效親和力為(4.2)(1)量子效率高(2)光譜響應延伸到紅外、光譜響應率均勻由（3.74）式可知，正電子親和力光電陰極的臨界值波長為(4.3)而負電子親和力光電陰極的臨界值波長為(4.4)(3)熱電子發射小(4)光電子的能量集中實用的負電子親和力光電陰極有GaAs、InGaAs、GaAsP等，其光譜響應曲線如圖4-5所示。4.2　光電管與光電倍增管的工作原理一、光電管光電管主要由光電陰極和陽極兩部分組成，因管內有抽成真空或充入低氣壓惰性氣體的不同，所以有真空型和充氣型

6、兩種。它的工作電路如圖4-6所示，陰極和陽極之間加有一定的電壓，且陽極接正，陰極接負。二、光電倍增管光電倍增管是一種真空光電元件，它主要由光入射窗口、光電陰極、電子光學系統、倍增極和陽極組成，如圖4-7⒜所示。光電倍增管的工作原理如圖4-7⒝所示。為了使光電子能有效地被各電極收集並通過各倍增極倍增，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。最普通的形式是外接一系列電阻，在陰極和陽極之間加上適當的高壓，陰極接負，陽極接正，使各電極之間獲得一定的偏壓，如圖4-7⒝。1.入射窗口和光電陰極結構光電倍增管通常有側窗和端窗兩種形式，如圖4-8所示。

7、側窗型光電倍增管是透過管殼的側面接收入射光，而端窗式光電倍增管是透過管殼的端面接收入射光。側窗式光電倍增管一般使用反射式光電陰極，而且大多數採用鼠籠式倍增極結構，如圖4-9⒜所示。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。如圖4-9⒝所示。光電倍增管的短波靈敏度一般受窗口材料限制。常用的窗口材料有下列幾種：(1)硼矽玻璃(2)透紫外玻璃(3)熔融石英（熔融二氧化矽）(4)藍寶石(5)MgF2圖4-10是常用幾種窗口材料的光譜透射比曲線。光電倍增管的光譜響應特性主要由窗口材料和光電陰極材料決定，因