【正文】 子 二次電子發(fā)射系數(shù) δ 表示為： ns為發(fā)射出的二次電子數(shù)， np為打在物體上的電子數(shù)。 光電倍增管基本特性 由 光陰極 、 次陰極 (倍增電極 )以及 陽(yáng)極 三部分組成 。 光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅 鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的 ， 次陰極多的可達(dá) 30級(jí)； 入射光 光電陰極 第一倍增極 陽(yáng)極 第三倍增極 陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子 的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的 105~106倍。 光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。 光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。 因此在很微弱的光照時(shí)，能產(chǎn)生很大的光電流。 4 光電管的伏安特性 50 20μlm 40μlm 60μlm 80μlm 100μlm 120μlm 100 150 200 0 2 4 6 8 10 12 陽(yáng)極與末級(jí)倍增極間的電壓 /V IA/ μA 光電管的伏安特性 在一定的光照射下 ， 光電器件的陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系 總增益 G： 若第一打拿極對(duì)光電子 收集效率為 f收集到的光電子數(shù)與光照產(chǎn)生光電子數(shù)的比率 n個(gè)打拿極的 δ 分別為 δ n、 ?? δ δ δ 1, 若極間 傳遞效益 分別為 gn??g g g1， 則總增益 G為： 如各個(gè)打拿極的增益均為 δ ,極間傳遞效益均為 g，總增益 G為： 三、光電倍增管的實(shí)例結(jié)構(gòu) 據(jù)工作原理分為兩大類： 聚焦型、非聚焦型 。 所謂 聚焦 不是指電子束聚焦成一點(diǎn)，而是指由 前一級(jí)倍增極的電子 被加速后 會(huì)聚在下一級(jí)倍增極上 ，在兩個(gè)倍增極之間可能發(fā)生電子束軌跡的交叉。 聚焦型倍增系統(tǒng)： 有圓環(huán)瓦片式 (或鼠籠式 ) 和直線瓦片式。 非聚焦型倍增系統(tǒng)： 電子軌跡多是平行的， 有盒柵式和百葉窗式。 1. 直線瓦片式倍增系統(tǒng) 其電極形似 半圓柱狀的瓦片 ,電子軌跡在極間會(huì)聚，交叉點(diǎn)落在下一級(jí)靠近中心處。 其幾乎能使全部二次電子得到利用，放大倍率很高。 通過(guò)電極形狀的調(diào)整 使較長(zhǎng)路徑的軌跡和較短路徑的軌跡在極間交錯(cuò)行進(jìn)，到達(dá)收集極的總渡越時(shí)間近于一致。 入 射 光 陽(yáng) 極極聚 焦 電 極導(dǎo) 電 層光 陰 極端窗聚 焦 環(huán)倍 增2. 圓環(huán)瓦片式倍增系統(tǒng) 各瓦片倍增極 排列 為圓環(huán)狀，側(cè)窗式結(jié)構(gòu)是入射光通過(guò)柵網(wǎng)打在不透明光電陰極 0上，倍增極共九個(gè)，第十級(jí)是收集極。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 10 柵極 入射光 屏蔽 3．盒柵式倍增系統(tǒng) 陰 極倍 增 極陽(yáng) 極132 45 7681 0912435687910A 倍增極是一個(gè)圓柱面的 1/4 為提高入射倍增極的收集效率，防止二次電子往入射方向逸散，在電子入口處加一個(gè)與盒子具有相同電位的金屬柵網(wǎng)。 優(yōu)點(diǎn)是收集效率高可達(dá) 95%結(jié)構(gòu)緊湊，多用于噪聲較低、增益較高的光電倍增管中。 三、光電倍增管的性能參數(shù) 分為 陰極靈敏度 SK和 陽(yáng)極靈敏度 SA ， 有時(shí)標(biāo)出陰極的藍(lán)光、紅光或紅外光靈敏度。測(cè)量時(shí)所用的光源是鎢絲白熾燈， SK光電陰極本身的積分靈敏度。指 一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù) 測(cè)量時(shí)給光電陰極 K和陽(yáng)極 A間加一定電壓，照在陰極上的光通量選在 102105lm范圍。 式中 iK為陰極電流， θ K為 到陰極上的光通量， 單位取 μA／ lm。 光電倍增管陽(yáng)極靈敏度 即總靈敏度 SA是 一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)，即 在一定工作電壓下陽(yáng)極輸出電流與照射到陰極面上光通量的比值，包括了放大倍數(shù)的貢獻(xiàn)，表示為 ： 光電倍增管的最大靈敏度可達(dá) 10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽(yáng)極電流不穩(wěn)。 另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。 式中 iA為陽(yáng)極電流， θ K為光通量 G （電流增益 G） 一定工作電壓下，陽(yáng)極電流和陰極電流的比值。主要由倍增系統(tǒng)的能力決定。 可由一定工作電壓下，陽(yáng)極靈敏度和陰極靈敏度的比值，即： 式中 iA是陽(yáng)極電流， iK是陰極電流 倍增系數(shù) M ==n個(gè)倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù) δ的乘積 。 如果 n個(gè)倍增電極的 δ都相同 ， 則 M=δn M與所加電壓有關(guān)， M在 105~108之間，穩(wěn)定性為 1％左右， 加速電壓穩(wěn)定性要在 ％以內(nèi)。如果有波動(dòng)， M也要波動(dòng)， 因此 ,M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。 一般陽(yáng)極和陰極間電壓為 1000~2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為 50~100V。對(duì)所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而減小測(cè)量誤差。 103 104 105 106 25 50 75 100 125 極間電壓 /V 放大倍數(shù) 光電倍增管的特性曲線 在全暗條件下工作時(shí) ,陽(yáng)極上收集到的輸出電流的直流成分。它決定了光電倍增管可測(cè)光通量的最小值。 形成主要原因： ① 歐姆漏電 ② 熱電子發(fā)射 ③ 反饋效應(yīng) ④ 場(chǎng)致發(fā)射 ⑤ 其它因素 所以 ， 一般在使用時(shí)必須把管子放在暗室里避光使用 ， 使其只對(duì)入射光起作用； 但由于環(huán)境溫度 、 熱輻射和其它因素的影響 ， 造成的這種暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路消除 。 光電倍增管使用時(shí)，一般即使沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽(yáng)極 仍有電流，此電流稱為 暗電流 本底電流： 指 如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下出現(xiàn)的電流，其值 大于 暗電流。 增加的部分是宇宙射線對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的。 本底電流具有脈沖形式。 光電倍增管的光照特性 與直線最大偏離是 3% 10－ 13 10－ 10 10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1 在 45mA處飽和 10－ 14 10－ 10 10－ 6 10－ 2 光通量 /1m 陽(yáng)極電流 / A 4. 光電倍增管的光譜特性 反應(yīng)了光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。 對(duì)于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，是線性的關(guān)系， 即入射光通量小于 104lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系。 光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。 四、光電倍增管的偏置 bias voltage與放大電路 工作電壓 要保證 陽(yáng)極電流與光照在線性范圍，電流放大倍數(shù)要滿足系統(tǒng)的要求。 總陽(yáng)極電壓一般在 900～2022V間，打拿極間電壓在 80～ 150V間 光電倍增管的電路圖 RL的確定 當(dāng)工作時(shí)，各 打拿級(jí)之間的內(nèi)阻 隨信號(hào)電流的增加而減小，對(duì) 分壓電阻鏈 RL有分流作用，會(huì)引起極間電壓變小，電流放大倍數(shù)降低。 為減小分流作用， RL取值要適當(dāng)?shù)販p小， RL： R1?R n的電壓 就大 ,通常極間分壓電阻取值為 20KΩ～ 1MΩ。 D1D2D3D4D9D7D8D10D5D6AKR1R2R3R4R5R7R8R9R 10R11R6CC11KVRLUoIa 其輸出電壓或電流從其陽(yáng)極取出，而陽(yáng)極與陰極間一般有 900～2022V的直流高壓，存在 電源接地 的問(wèn)題。 正高壓供電， 負(fù)端接地 。 優(yōu)點(diǎn)： 光、磁和電的屏蔽罩電壓很低 ,可直接接近管子外殼，暗電流和噪聲較低，但因陽(yáng)極的正電壓 必須通過(guò)耐高壓的隔直電容才能與 前放耦合，只能輸出交流信號(hào)。 負(fù)高壓供電， 陽(yáng)極電位近于 0，從陽(yáng)極取出電壓或電流 可與前放直接耦合 。但由于陰極有負(fù)高壓存在， 屏蔽罩應(yīng)離開管子玻璃殼 1～ 2cm， 否則陽(yáng)極輸出的暗電流和噪聲增大。 電 壓放 大AKR R R RR0C+ U0K AR RR F U K原理 閃爍計(jì)數(shù)器 是一種通用的 精密核輻射探測(cè)器 核輻射的 粒子能量 被 閃爍體（熒光體）吸收 轉(zhuǎn)換為閃光（光子），閃光 傳輸?shù)?倍增管的光陰極 轉(zhuǎn)換為 光電子 ，經(jīng) 倍增放大 后 輸出電脈沖信號(hào) 至記錄設(shè)備中。 只要探測(cè)出脈沖信號(hào)的數(shù)目及幅度，可測(cè)出射線的強(qiáng)弱與能量的大小。 閃爍計(jì)數(shù)器原理圖 光 電 倍增 管閃爍體光導(dǎo)放 大電 路輻 射 射 線輸出 在閃爍計(jì)數(shù)器中的應(yīng)用 采用兩種放大器圖。 左圖 中 180KΩ的負(fù)載電阻將倍增管的電流脈沖變?yōu)殡妷好}沖，送入射隨器。 右圖 共基極電路特點(diǎn)是輸入阻抗很?。s為幾十歐姆）。 高輸入阻抗的電壓放大器電路圖 低輸入阻抗的電流放大器電路圖 G D B1 8 0 K0 .0 2 27 . 5 K3 0 K3 . 3 K1 5181。3 . 9 K0 . 0 4 73 D K 2+ 7 VG D B5 0 0 0 p5 0 0 K3 k VRWD Z3 K4 . 7 K 1 03 D K 24 . 7 K 2 0 K0 . 0 1+ 1 0 V傳 輸 線高 壓 +181。181。181。181。輸出的脈沖信號(hào)放大 光電導(dǎo)效應(yīng)器件及其應(yīng)用 Photoconductor and its application 光電導(dǎo)效應(yīng) Photoconductive effect 光敏電阻器 Photoresistor 光敏電阻的參數(shù)及特性 parameter and characterisitic 光敏電阻器的直流偏置與放大接口電路 direct current bias voltage and amplify interface circuit 光敏電阻的應(yīng)用 application 光電導(dǎo)效應(yīng) 一、定義 :光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子而產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，使電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象 ,即其導(dǎo)電性能增強(qiáng) ,光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象 ,稱為內(nèi)光電效應(yīng) 。 又稱 內(nèi)光電效應(yīng) 導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶禁帶滿帶半滿帶（a ）絕緣體 （b ）半導(dǎo)體 （c ）導(dǎo)體 光照 本征半導(dǎo)體 時(shí)，若光子能量 hγ大于此材料的 Eg，價(jià)帶中電子越過(guò)禁帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子 空穴對(duì)，使載流子數(shù)目增多。 1s 2 3s22s 2 3p 22p 6Si二、原理 過(guò)程： 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí) ， 價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊 ， 并使其由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶 ， 如圖 ，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加 ， 從而使電導(dǎo)率變大 。 導(dǎo)帶 價(jià)帶 禁帶 自由電子所占能帶 不存在電子所占能帶 價(jià)電子所占能帶 Eg gEhc??gEch ??gEh ?? ??? ??? hch為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度 Eg，即 ? 光照 摻雜的半導(dǎo)體材料 時(shí)， 除 本征價(jià)帶電子激發(fā) 外 ，雜質(zhì)能帶中的電子受光子激發(fā) 也 到達(dá)導(dǎo)帶形成電子和離子，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生改變。 ? ∴ 把 光照引起的電導(dǎo)率的變化 直接歸結(jié)為載流子密度的變化。 n0 和 p0為熱平衡時(shí)自由電子和空穴的濃度， μ n、 μ p分別為電子和空穴其遷移率。 暗電導(dǎo) ζ 0 沒有光照時(shí)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率，為： 亮電導(dǎo) ζ 在光照后材料中電導(dǎo)率，因載流子濃度發(fā)生變化引起，為： 附加電導(dǎo)： 光照前后 電導(dǎo)的增量 Δζ。由光照而產(chǎn)生的附加電導(dǎo)又稱為 光電導(dǎo) 。為： 式中 Δ n和 Δ p分別為光照后自由電子和空穴的增量。 相對(duì)光電導(dǎo) 將光電導(dǎo)與暗電導(dǎo)的比值，表達(dá)式為 ：