【正文】 (NEA) 光電陰極 . 20 采用特殊工藝，例如在重?fù)诫s P型硅表面涂一薄層 CsO2，可形成 NEA材料。這種陰極通常稱為 “日盲”（ solar blind）型光電陰極。 鉍銀氧銫光電陰極制作方法很多，四種元素可以有不同的結(jié)合次序，如 BiAgOCs, BiOAgCs, AgBiOCs等。光譜范圍在 300 nm到 1200 nm之間。雙堿陰極 銻鉀鈉（ Na2KSb），銻銫鉀（ K2CsSb） ； 三堿陰極 銻鉀鈉銫（ NaKSb Cs） 14 2. 銀氧銫與鉍銀氧銫光電陰極 銀氧銫 (AgOCs)陰極是最早使用的實(shí)用光陰極。銻化銫陰極的峰值量子效率較高， 一般高達(dá) 20%～30%， 比銀氧銫光電陰極高 30多倍。一般光電發(fā)射陰極的暗電流極低，其強(qiáng)度相當(dāng)于 1016~1018A/cm2的電流密度。即 λp,λe,NN??? 量子效率和光譜靈敏度是一個(gè)物理量的兩種表示方法 。 λe,Ke, ΦIS ??（ 181。1 光電探測(cè)與信號(hào)處理 第三章 光電探測(cè)器 華中科技大學(xué) 2 第三章 光電探測(cè)器 教學(xué)內(nèi)容 課內(nèi)學(xué)時(shí) 課外學(xué)時(shí) 光電子發(fā)射探測(cè)器 (PE) 光電導(dǎo)探測(cè)器 4h 4h 光伏探測(cè)器 光伏效應(yīng)及其特性曲線 幾種典型光伏器件 光伏探測(cè)器的主要特性 4h 4h 熱電探測(cè)器 基本原理 熱電偶和熱電堆 測(cè)輻射熱計(jì) (Bolometers) 4h 4h 像管 攝像管 CCD固體攝像器件 (Charge Coupled Device) CMOS圖像傳感器 4h 8h 3 光電發(fā)射器件是基于外光電效應(yīng)的器件 光電子發(fā)射探測(cè)器 (PEPhoto Emission) 4 dynode Microchannel plates 光電管 光電倍增管 像增強(qiáng)管 5 優(yōu)點(diǎn) ：靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和噪聲小 缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓高，體積大 光電發(fā)射器件的特點(diǎn) 許多應(yīng)用領(lǐng)域被性價(jià)比更高、體積小巧便于集成的半導(dǎo)體光電器件所替代，但在 微弱光信號(hào)探測(cè)、快速光脈沖探測(cè) 等方面仍占優(yōu)勢(shì)。A/W或 A/W） 10 （ 2） 積分靈敏度 定義：在某波長(zhǎng)范圍內(nèi)的積分輻射作用于光電陰極時(shí)，光電陰極輸出電流 Ik與入射輻射通量 φ e之比。它們之間的關(guān)系為 ???? λe,λe,λe,Kλ1 2 4 0qhc/q/ SShΦI ???12 3. 光譜響應(yīng)曲線 光電發(fā)射陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng) 。 13 二、光電陰極材料 1. 單堿與多堿銻化物光陰極 單堿： 金屬銻（ Sb）與堿金屬鋰（ Li）、鈉（ Na）、鉀（ K）、銣 (Rb)、銫（ Cs）中的一種化合，能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射體。 多堿 ：兩種或三種堿金屬與銻化合形成多堿銻化物光陰極。 它的特點(diǎn)是對(duì)近紅外輻射靈敏。量子效率不高，峰值處約 %～ 1%左右。 量子效率可達(dá) 10％， 約為 Cs3Sb光電陰極的一半，其優(yōu)點(diǎn)是 光譜響應(yīng)與人眼相匹配 。 目前，比較實(shí)用的“日盲”型光電陰極有碲化銫(CsTe, ?c＝ 320nm)和碘化銫 (CsI, ?c ＝ 200nm)，日盲型光電倍增管是一種裝置于空間衛(wèi)星上進(jìn)行紫外輻射探測(cè)，以及應(yīng)用在原子分光光度計(jì)和核酸蛋白檢測(cè)儀上進(jìn)行紫外光譜檢測(cè)的光電轉(zhuǎn)換器件。NEA發(fā)射體和常規(guī)光電發(fā)射體的表面，電子狀態(tài)是類似的，導(dǎo)帶底上的電子能量都低于真空能級(jí)，其差值為 Ea。價(jià)帶中的電子吸收光子能量，躍遷到導(dǎo)帶底以上，成為 熱電子 （受激電子能量超過(guò)導(dǎo)帶底的電子）。但是熱電子的逸出深度只有幾十納米，絕大部分電子來(lái)不及到達(dá)真空界面，就已經(jīng)落到導(dǎo)帶底變成冷電子了。 21 特點(diǎn)： ，低反射性質(zhì)； ， 50%~60%, 長(zhǎng)波到達(dá) 9%。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。 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。 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。 ?完全黑暗伸手不見(jiàn)五指中使用比肉眼還清晰。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。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。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。 （ 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 。 ?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?，F(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。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。 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。 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。 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。特點(diǎn)是 體積小，均勻性、穩(wěn)定性較好， 對(duì)電源要求不嚴(yán)格，但 不宜于快速探測(cè)或要求線性電流大的探測(cè)。其主要特點(diǎn)為 緊湊的結(jié)構(gòu)和快速時(shí)間響應(yīng)特性。這種結(jié)構(gòu)的每個(gè)通道都是一個(gè)獨(dú)立的電子倍增器。 ： 將上述結(jié)構(gòu)中的兩種結(jié)構(gòu)相互混合而形成的復(fù)合型結(jié)構(gòu)。 空間電荷限制電流 46 二、 光電倍增管的主要特性參數(shù) 陰極靈敏度 陰極光譜靈敏度 ：陰極電流 IK與入射單色輻射通量之比。照在陰極上的光通量大致選在 105~102 lm量級(jí)。 50 3. 電流放大倍數(shù) (增益 ) 在一定工作電壓下，電流增益就是光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流 IA與陰極電流 IK的比值。 影響暗電流的主要因素： 54 （ 1） 歐姆漏電 歐姆漏電主要指光電倍增管的電極之間玻璃漏電、管座漏電和灰塵漏電等。正常工作時(shí)，它是暗電流的主要成份 KTthq4/5td eAETI ??降低光電倍增管的溫度是減小熱發(fā)射暗電流的有效方法。顯然降低工作電壓場(chǎng)致發(fā)射暗電流也將下降。 56 暗電流溫度特性 暗電流與電源電壓關(guān)系 57 減小暗電流的方法 直流補(bǔ)償 在倍增管陽(yáng)極輸出回路中加上與暗電流方向相反的直流成份 致冷 電磁屏蔽法 磁場(chǎng)散焦法 PMT ＋ － VC Ib 選頻和鎖相放大 入射光調(diào)制，信號(hào)輸出選頻濾掉直流，鎖相放大提高信噪比 將倍增管裝在高導(dǎo)磁率的金屬圓筒中，防止周圍磁場(chǎng)干擾 合理利用磁場(chǎng)將陰極邊緣暗電流的電子散射掉 降低熱發(fā)射電子 58 5. 噪聲及最小可探測(cè)功率 ENI 散粒噪聲 閃爍噪聲 電阻熱噪聲 光電倍增管的噪聲主要由器件本身的散粒噪聲、閃爍噪聲和負(fù)載電阻的熱噪聲組成。 （ 2）陽(yáng)極伏安特性 當(dāng)入射光通量一定時(shí)，陽(yáng)極電流 Ia與陽(yáng)極和末級(jí)倍增極之間電壓 (陽(yáng)極電壓 Ua)