【正文】 康； 錢蕓生等，負(fù)電子親和勢(shì) GaN光電陰極光譜響應(yīng)特性研究， 物理學(xué)報(bào)2022年 05期 22 23 光電管 、像增強(qiáng)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(yáng)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(shí)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(wú)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(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，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(yáng)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(dāng)入射光透過(guò)光窗照射到光電陰極面上時(shí)，光電子從陰極發(fā)射出去，在陰極和陽(yáng)極之間的電場(chǎng)作用下作加速運(yùn)動(dòng)，被高電位的陽(yáng)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(qiáng)度決定。 26 結(jié)構(gòu) 光電管由光窗、光電陰極和陽(yáng)極三部分組成 。 陰極 為半導(dǎo)體光電發(fā)射材料，涂于玻殼內(nèi)壁，受光照時(shí)，可向外發(fā)射光電子。 陽(yáng)極 是金屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極的對(duì)面，加正的高電壓，用來(lái)收集從陰極發(fā)射出來(lái)的電子。 27 優(yōu)點(diǎn)： ?光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達(dá) 20～ 200μA/lm； ?暗電流小，最低可達(dá) 1014A； ?光電發(fā)射弛豫過(guò)程極短 缺點(diǎn)： ?體積都比較大； ?工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏； ?玻殼容易破碎等 光電管的特點(diǎn) 28 二、像增強(qiáng)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(xué)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(qiáng)的像，然后用照相方法記錄下來(lái)。 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(zhēng)、漁船走私夜間工地裝備。 ?黑暗中想看什么都清楚可見(jiàn)。 ?完全黑暗伸手不見(jiàn)五指中使用比肉眼還清晰。 30 采用像增強(qiáng)管的夜視儀的發(fā)展歷史 第一代微光夜視儀（ 1962年） 光學(xué)纖維面板 （一種由大量光導(dǎo)纖維組成的薄板陣列，每根纖維傳導(dǎo)一個(gè)像素減少了光的散射，傳導(dǎo)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(jí)聯(lián)像增強(qiáng)技術(shù) （將多個(gè)上述結(jié)構(gòu)的像增強(qiáng)管串聯(lián)起來(lái)，將光線逐級(jí)放大。） 第二代微光夜視儀（ 20世紀(jì) 60年代） 微通道 MCP（連續(xù)型通道像增強(qiáng)器的原理是一根內(nèi)壁涂有電子發(fā)射材料的細(xì)管子，在管子兩端的電極上加上直流電壓，當(dāng)電子從管子一頭射入時(shí)，便在管內(nèi)來(lái)回碰撞，激發(fā)出越來(lái)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(jí)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(zhǎng)徑比有關(guān)，與電壓有關(guān)，但與通道的大小無(wú)關(guān)，所以可以做的極小，將其并列起來(lái)組成陣列，就可以用來(lái)傳遞顯示圖象了。單根通道的直徑一般為 1012微米，長(zhǎng) 500微米，一塊通道板包含數(shù)百萬(wàn)根通道管，既數(shù)百萬(wàn)像素，可以使圖象的亮度增加幾千乃至上萬(wàn)倍。） 第三代微光夜視儀（ 20世紀(jì) 80年代） 負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極 （采用負(fù)電子親和勢(shì)砷化鎵光電陰極。由于高靈敏度負(fù)電子親和勢(shì)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(dá)國(guó)家手中，一些國(guó)家只能依賴進(jìn)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(guó)利頓公司 Litton Industries Inc.） 無(wú)膜微通道板像增強(qiáng)器。 新式的夜視儀還采用了自動(dòng)門控電源和無(wú)暈成像技術(shù)?？梢宰詣?dòng)控制光電陰極電壓，改善在環(huán)境光線過(guò)強(qiáng)或有照明的情況下的夜視效果。無(wú)暈成像可以極大的減少由電子在像增強(qiáng)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(xué)系統(tǒng)、倍增系統(tǒng) 和 陽(yáng)極 五個(gè)主要部分組成。 33 1. 工作原理： （ 1）光子透過(guò) 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(kāi)表面發(fā)射到真空中 。 （ 3）光電子通過(guò)電場(chǎng)加速和 電子光學(xué)系統(tǒng) 聚焦入射到第一 倍增級(jí) 上，倍增級(jí)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(jí)倍增極倍增后，光電子就放大 N次； （ 4）經(jīng)過(guò)倍增后的二次電子由 陽(yáng)極 收集，形成陽(yáng)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(jià)比較便宜（一般數(shù)百元 /只），在分光光度計(jì)、旋光儀和常規(guī)光度測(cè)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(guò)式光陰極）， 這使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。 ?其價(jià)格一般在千元以上。現(xiàn)在還出現(xiàn) 了針對(duì)高能物理實(shí)驗(yàn)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(shí)也是對(duì)光吸收較多的部分。因?yàn)椴Ａ?duì)光的吸收與波長(zhǎng)有關(guān)， 波長(zhǎng)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(jì)時(shí)根據(jù)透過(guò)波長(zhǎng)的要求來(lái)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(guò)從近紅外至300nm的入射光，但不適合于紫外區(qū)的探測(cè)。 紫外玻璃（ UV玻璃） 這種玻璃材料可以很好地透過(guò)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(zhǎng)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(guò)性，但同時(shí)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(guò)能力而成為一種實(shí)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(zhǎng)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(fù)合速率和材料厚度 38 （ 3）電子光學(xué)系統(tǒng) ?通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)，使前一級(jí)發(fā)射出來(lái)的電子盡可能沒(méi)有散失地落到下一個(gè)倍增極上，也就是使 下一級(jí)的收集率接近于 1； ?使前一級(jí)各部分發(fā)射出來(lái)的電子，落到后一級(jí)上所經(jīng)歷的時(shí)間盡可能相同，即 渡越時(shí)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(shí)的 δ值可高達(dá) 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(qiáng)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(fù)電子親和勢(shì)材料 GaP[Cs]，具有更高的二次電子發(fā)射功能，在電壓為 1000V時(shí)，倍增系數(shù)可大于 50或高達(dá) 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(jí)倍增極均由一組傾斜的平行葉片組成，下一級(jí)葉片傾斜方向相反。葉片上接金屬網(wǎng)以屏蔽前級(jí)電場(chǎng)，提高收集率。特點(diǎn)為倍增極大，其 輸出一致性較好，宜作微弱光信號(hào)探測(cè) ： 倍增極由 1/4圓弧盒組成，前面接有金屬網(wǎng)。特點(diǎn)