【正文】 康； 錢蕓生等，負電子親和勢 GaN光電陰極光譜響應(yīng)特性研究， 物理學報2022年 05期 22 23 光電管 、像增強管 24 一、光電管 光電管分為 真空光電管和充氣光電管 。真空光電管主要由光電陰極和陽極兩部分組成，因管內(nèi)常被抽成真空而稱為真空光電管。然而，有時為了使某種性能提高，在管殼內(nèi)也充入某些低氣壓惰性氣體形成充氣型的光電管。無論真空型還是充氣型均屬于光電發(fā)射型器件，稱為光電管。 25 光電管的工作原理 充氣型光電管 光生電子在電場的作用下運動，途中與惰性氣體原子碰撞而電離，電離又產(chǎn)生新的電子，它與光電子一起都被陽極收集，形成數(shù)倍于真空型光電管的光電流 。 或充氣 真空型光電管 當入射光透過光窗照射到光電陰極面上時，光電子從陰極發(fā)射出去，在陰極和陽極之間的電場作用下作加速運動，被高電位的陽極收集，其光電流的大小主要由陰極靈敏度和入射輻射的強度決定。 26 結(jié)構(gòu) 光電管由光窗、光電陰極和陽極三部分組成 。 陰極 為半導體光電發(fā)射材料，涂于玻殼內(nèi)壁，受光照時，可向外發(fā)射光電子。 陽極 是金屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極的對面，加正的高電壓，用來收集從陰極發(fā)射出來的電子。 27 優(yōu)點： ?光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達 20～ 200μA/lm； ?暗電流小，最低可達 1014A； ?光電發(fā)射弛豫過程極短 缺點： ?體積都比較大； ?工作電壓高達百伏到數(shù)百伏； ?玻殼容易破碎等 光電管的特點 28 二、像增強管（像管） 由安裝在高真空管殼內(nèi)的光電陰極、電子透鏡（有靜電聚焦和磁聚焦兩種）和熒光屏三部分組成。它的工作原理是將投射在光陰極上的光學圖像轉(zhuǎn)變成電子像，電子透鏡將電子像聚焦并加速投射到熒光屏上產(chǎn)生增強的像，然后用照相方法記錄下來。 主要用作夜視儀，目前已發(fā)展到第四代 防止離子反饋損壞精致的光電陰極而鍍的一層離子障膜 29 ?黑夜中專業(yè)警用海上巡邏緝私、搜捕犯人、軍事戰(zhàn)爭、漁船走私夜間工地裝備。 ?黑暗中想看什么都清楚可見。 ?完全黑暗伸手不見五指中使用比肉眼還清晰。 30 采用像增強管的夜視儀的發(fā)展歷史 第一代微光夜視儀（ 1962年） 光學纖維面板 （一種由大量光導纖維組成的薄板陣列，每根纖維傳導一個像素減少了光的散射，傳導效果好，由于可以將纖維的末端排列成曲面，天然的避免了像差，大大提高了成像質(zhì)量。）級聯(lián)像增強技術(shù) （將多個上述結(jié)構(gòu)的像增強管串聯(lián)起來，將光線逐級放大。） 第二代微光夜視儀（ 20世紀 60年代） 微通道 MCP（連續(xù)型通道像增強器的原理是一根內(nèi)壁涂有電子發(fā)射材料的細管子，在管子兩端的電極上加上直流電壓，當電子從管子一頭射入時，便在管內(nèi)來回碰撞，激發(fā)出越來越多的電子，這些電子被管壁的電壓加速，并且碰撞出的幾何級數(shù)增加的電子，使得管子末端出射的電子獲得很高的增益。通道電子倍增器的電子增益與管壁內(nèi)的電子發(fā)射材料有關(guān)，與通道的長徑比有關(guān)，與電壓有關(guān)，但與通道的大小無關(guān)，所以可以做的極小，將其并列起來組成陣列，就可以用來傳遞顯示圖象了。單根通道的直徑一般為 1012微米，長 500微米，一塊通道板包含數(shù)百萬根通道管，既數(shù)百萬像素，可以使圖象的亮度增加幾千乃至上萬倍。） 第三代微光夜視儀（ 20世紀 80年代） 負電子親和勢光電陰極 （采用負電子親和勢砷化鎵光電陰極。由于高靈敏度負電子親和勢光電陰極制作難度大，所以目前該技術(shù)掌握在少數(shù)發(fā)達國家手中，一些國家只能依賴進口。第三代管為了防止離子反饋損壞精致的光電陰極，都鍍有一層離子障膜。） 第四代微光夜視儀（ 1998年，美國利頓公司 Litton Industries Inc.） 無膜微通道板像增強器。 新式的夜視儀還采用了自動門控電源和無暈成像技術(shù)?？梢宰詣涌刂乒怆婈帢O電壓，改善在環(huán)境光線過強或有照明的情況下的夜視效果。無暈成像可以極大的減少由電子在像增強管的光電陰極到板的空隙中散射而引起的光暈。 31 光電倍增管 32 一 . 光電倍增管組成及工作原理 光電倍增管（ PMT：Photomultiplier tube）是一種真空光電發(fā)射器件， 主要由 光窗、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、倍增系統(tǒng) 和 陽極 五個主要部分組成。 33 1. 工作原理： （ 1）光子透過 入射窗口 入射在 光電陰極 上 。 （ 2）光電陰極上的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中 。 （ 3）光電子通過電場加速和 電子光學系統(tǒng) 聚焦入射到第一 倍增級 上，倍增級將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的 二次電子 。入射電子經(jīng) N級倍增極倍增后，光電子就放大 N次； （ 4）經(jīng)過倍增后的二次電子由 陽極 收集，形成陽極光電流。 34 2. 光電倍增管的基本組成 （ 1）光窗 ?側(cè)窗型（ side－ on） :從側(cè)面接收入射光。 ?使用 不透明光陰極（反射式光陰極） 和 環(huán)形聚焦型 電子倍增極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。 ?單價比較便宜（一般數(shù)百元 /只），在分光光度計、旋光儀和常規(guī)光度測定方面具有廣泛的應(yīng)用。 ?端窗型（ head－ on）： 也稱 頂窗型 ，從頂部接收入射光。 ?在其入射窗的內(nèi)表面上沉積了 半透明的光陰極（透過式光陰極）， 這使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。 ?其價格一般在千元以上?，F(xiàn)在還出現(xiàn) 了針對高能物理實驗用的可以廣角度捕 獲入射光的大尺寸半球形光窗的光電倍增管。 結(jié)構(gòu)分類 35 光窗是入射光的通道，同時也是對光吸收較多的部分。因為玻璃對光的吸收與波長有關(guān)， 波長越短吸收的越多 ，所以 倍增管光譜特性的短波閾值決定于光窗材料 。設(shè)計時根據(jù)透過波長的要求來選用。常采用的窗口材料有鈉鈣玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔石英玻璃和氟化鎂玻璃。 材料分類 硼硅玻璃 一種常用的玻璃材料，可以透過從近紅外至300nm的入射光，但不適合于紫外區(qū)的探測。 紫外玻璃（ UV玻璃） 這種玻璃材料可以很好地透過紫外光，和硼硅玻璃一樣被廣泛使用。分光應(yīng)用領(lǐng)域一般都要求用紫外玻璃，其截止波長可接近 185nm。 氟化鎂 MgF2（鎂氟化物） 該材料具有極好的紫外線透過性，但同時也有易潮解的不利因素。盡管如此，氟化鎂仍以其接近115nm的紫外透過能力而成為一種實用的光窗材料。 36 37 （ 2）光電陰極 主要決定倍增管光譜特性的長波閾值。 whc?c?W為逸出功 （量子效率較高） 兩種工作模式下量子效率相差較大的主要影響因素是 后界面復合速率和材料厚度 38 （ 3）電子光學系統(tǒng) ?通過適當設(shè)計的電極結(jié)構(gòu)，使前一級發(fā)射出來的電子盡可能沒有散失地落到下一個倍增極上，也就是使 下一級的收集率接近于 1； ?使前一級各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級上所經(jīng)歷的時間盡可能相同，即 渡越時間離散最小 。 39 （ 4）倍增系統(tǒng) 二次電子發(fā)射： 具有一定能量的電子入射到倍增極后，將激發(fā)二次電子，一般產(chǎn)生的二次電子數(shù) N2大于入射電子數(shù) N1 ，這種現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射，通常用 二次發(fā)射系數(shù)（倍增系數(shù)） δ定義： δ＝ N2 /N1 （ a）倍增極材料 一般，光電發(fā)射性能良好的陰極材料也是良好的二次發(fā)射體 40 銻化銫（ CsSb） 材料具有很好的二次電子發(fā)射功能，它可以在較低的電壓下產(chǎn)生較高的發(fā)射系數(shù)，電壓高于 400V時的 δ值可高達 10倍。 氧化的銀鎂合金 材料也具有二次電子發(fā)射功能，它與銻化銫相比二次電子發(fā)射能力稍差些，但它可以工作在較強電流和較高的溫度（ 150℃ ）。 銅 鈹合金 （鈹?shù)暮繛?2%）材料的發(fā)射系數(shù) δ比銀鎂合金更低些。 負電子親和勢材料 GaP[Cs]，具有更高的二次電子發(fā)射功能，在電壓為 1000V時，倍增系數(shù)可大于 50或高達 200。 41 （ b） 倍增極結(jié)構(gòu) 非聚焦型 ：倍增極間的電子束是平行的。 ?百葉窗型 （圖 a） ?盒柵式 （圖 b） 聚焦型 ：倍增極間電子束軌跡在兩電極間有交叉； ?瓦片靜電（直列）聚焦型 （圖 c） ?圓形鼠籠式 （圖 d） 42 a. 百葉窗型： 每一級倍增極均由一組傾斜的平行葉片組成，下一級葉片傾斜方向相反。葉片上接金屬網(wǎng)以屏蔽前級電場，提高收集率。特點為倍增極大，其 輸出一致性較好，宜作微弱光信號探測 ： 倍增極由 1/4圓弧盒組成，前面接有金屬網(wǎng)。特點