【正文】 3 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 。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。 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極收集，形成數(shù)倍于真空型光電管的光電流 。 26 結(jié)構(gòu) 光電管由光窗、光電陰極和陽極三部分組成 。 陽極 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，用來收集從陰極發(fā)射出來的電子。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。 ?黑暗中想看什么都清楚可見。 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。） 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(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。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。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。） 第四代微光夜視儀（ 1998年，美國(guó)利頓公司 Litton Industries Inc.） 無膜微通道板像增強(qiáng)器?？梢宰詣?dòng)控制光電陰極電壓，改善在環(huán)境光線過強(qiáng)或有照明的情況下的夜視效果。 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 陽極 五個(gè)主要部分組成。 （ 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 。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)過倍增后的二次電子由 陽極 收集，形成陽極光電流。 ?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。 ?端窗型（ head－ on）： 也稱 頂窗型 ，從頂部接收入射光。 ?其價(jià)格一般在千元以上。 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。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)透過波長(zhǎng)的要求來選用。 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(cè)。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。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(shí)用的光窗材料。 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) ?通過適當(dāng)設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)，使前一級(jí)發(fā)射出來的電子盡可能沒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 。 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℃ ）。 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。 ?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。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)。 （直列）聚焦型： 倍增極的形狀類似瓦片，其曲度能提供聚焦電場(chǎng)，提高次級(jí)電子利用率。 ： 主要應(yīng)用于側(cè)窗型光電倍增管。 43 ： 該結(jié)構(gòu)有封閉的精密組合網(wǎng)狀倍增級(jí)，因而具有極強(qiáng)的抗磁性、一致性和脈沖線性輸出特性。 （ MCP）型 ： 是將上百萬的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成為薄形盤片狀而形成的。 MCP比任何分離電極的倍增極結(jié)構(gòu)都具有超快的時(shí)間響應(yīng)，并且當(dāng)采用多陽極輸出結(jié)構(gòu)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的光電倍增管在磁場(chǎng)中仍具有良好的一致性和極強(qiáng)的二維探測(cè)能力。金屬通道型光電倍增管適用于位置靈敏度要求比較高的探測(cè)方面?；旌辖Y(jié)構(gòu)的倍增極一般都可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。 要求： ?具有較高的電子收集率（多采用柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）； ?能承受較大的電流密度； ?并且在陽極附近的空間不至于產(chǎn)生 空間電荷效應(yīng) 。 λe,Kλ,K ΦIS ?陰極積分靈敏度 ： IK與光譜輻射總通量的積分之比。 測(cè)量時(shí)以光電陰極為一極， K和地之間接檢流計(jì)，陽極與其它各電極連在一起為另一級(jí)，在其間加 100～ 300V的電壓。 A 48 陽極靈敏度 陽極光譜靈敏度：陽極輸出電流 IA與入射單色輻射通量之比。 ????0λe,AAd ?IS49 ??ppISG V － HV E K 1010~106 lm 陽極積分靈敏度的測(cè)量 A 測(cè)量時(shí)光電陰極 K與－ HV短路，陽極 A和地之間接檢流計(jì)。 KAKAm SSIIG ?? （ 1） 51 當(dāng)考慮到光電陰極發(fā)射出的電子被第 1倍增極所收集，其收集系數(shù)為 f，且每個(gè)倍增極都存在收集系數(shù) g，則增益 G修正為： n)( ?gfGm ?理想情況下，具有 n個(gè)倍增極，每個(gè)倍增極的平均二次電子發(fā)射率為 δ的電流增益為： nmG ??（ 2） （ 3） 對(duì)于非聚焦型光電倍增管， f近似為 90%， g要高于 f，但小于 1；對(duì)于聚焦型的，尤其是在陰極與第 1倍增極之間具有電子限束電極 F的倍增管，其 f≈g ≈ 1，可以用式（ 2）計(jì)算增益 G。光電倍增管的暗電流值在正常應(yīng)用的情況下是很小的，一般為 1016～ 1010A， 是所有光電探測(cè)器件中暗電流最低的器件。歐姆漏電通常比較穩(wěn)定，對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)小。 （ 2） 熱發(fā)射 由于光電陰極材料的光電發(fā)射閾值較低，容易產(chǎn)生熱電子發(fā)射，即使在室溫下也會(huì)有一定的熱電子發(fā)射，并被電子倍增系統(tǒng)倍增。 55 （ 3） 殘余氣體放電 光電倍增管中高速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)使管中的殘余氣體電離，產(chǎn)生正離子和光子，它們也將被倍增，形成暗電流。 （ 4） 場(chǎng)致發(fā)射 光電倍增管的工作電壓高時(shí)還會(huì)引起管內(nèi)電極尖端或棱角的場(chǎng)強(qiáng)太高產(chǎn)生的場(chǎng)致發(fā)射暗電流。 （ 5） 玻璃殼放電和玻璃熒光 當(dāng)光電倍增管負(fù)高壓使用時(shí)，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場(chǎng)很強(qiáng)，尤其是金屬屏蔽層與處于負(fù)高壓的陰極電場(chǎng)最強(qiáng)。因此，在陰極為負(fù)高壓應(yīng)用時(shí)屏蔽殼與玻璃管壁之間的距離至少為 10~20mm。 a2na4RfkTI ??散粒噪聲主要由暗電流 Id，背景輻射電流 Ib以及信號(hào)電流 Is的散粒效應(yīng)所引起。 fGeII m ?? a2nD n 259 總噪聲電流為 fGeIR fkTI mn ???? aa2 24在設(shè)計(jì)光電倍增管電路時(shí)，總是力圖使負(fù)載電阻的熱噪聲遠(yuǎn)小于散粒噪聲 　R fkTa4 ? ＜＜ fGeIm ?a2設(shè)光電倍增管的增益 G=104，暗電流 Ia=1014A，在室溫300K情況下，只要陽極負(fù)載電阻 Ra滿足 ??? k522kT4aamGqIR 即可達(dá)到 實(shí)際應(yīng)用中，陽極電流常為微安級(jí)，為使陽極得到適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷海枠O電阻總要大于 52kΩ 60 fGeII m ?? a2n 2由 SfGeIE N I m?? a2