第 4 章光电发射器件

第4章光电发射器件 　　光电发射器件是基于外光电效应的器件，包括真空光电二极管，光电倍增管，变像管，像增强管和真空电子束摄像管等器件。光电管真空光电器件光电倍增管缺点：结构复杂，工作电压高，体积大优点：灵敏度高，稳定性能好，响应速度快和噪声小微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息的捕捉

4.1 光电发射阴极 光电发射阴极是光电发射器件的重要部件，它是吸收光子能量发射光电子的部件。它的性能直接影响着整个光电发射器件的性能，为此，首先讨论用于制造光电阴极的典型光电发射材料。

主要特性参数：灵敏度、量子效率、光谱响应和暗电流等。主要特性参数：灵敏度、量子效率、光谱响应和暗电流等。 4.1.1 光电发射阴极的主要参数 1. 灵敏度－－－光谱灵敏度与积分灵敏度两种。 (1)光谱灵敏度定义在单色（单一波长）辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与单色辐射通量φe,λ之比为光电阴极的光谱灵敏度Se,λ。 Se,λ=Ik/φe,λ 其量纲为µA/W或A/W

(2)积分灵敏度 定义在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与入射辐射通量φe之比为光电阴极的积分灵敏度Se。量纲为mA/W或A/W

在可见光波长范围内的“白光”作用于光电阴极时，在可见光波长范围内的“白光”作用于光电阴极时，光电阴极电流Ik与入射光通量φv之比为光电阴极的白光灵敏度Sv。量纲为mA/lm。

定义在单色辐射作用于光电阴极时，光电阴极发射单位时间发射出去的光电子数Ne,λ,与入射的光子数之比为光电阴极的量子效率ηλ（或称量子产定义在单色辐射作用于光电阴极时，光电阴极发射单位时间发射出去的光电子数Ne,λ,与入射的光子数之比为光电阴极的量子效率ηλ（或称量子产额）。即。 • 2.量子效率量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。它们之间的关系为

光电发射阴极的光谱响应特性用光谱响应特性曲线描述。光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系曲线称为光谱响应。光电发射阴极的光谱响应特性用光谱响应特性曲线描述。光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系曲线称为光谱响应。 • 3. 光谱响应 4. 暗电流光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下获得了热能产生热电子发射，形成暗电流。光电发射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值有关。一般光电发射阴极的暗电流极低，其强度相当于10-16~10-18Acm-2的电流密度。

4.1.2 光电阴极材料 锑铯(Cs3Sb)光电阴极是最常用的，量子效率很高的光电阴极。长波限约为650nm，对红外不灵敏。银氧铯(Ag-O-Cs)阴极是最早使用的高效光阴极。它的特点是对近红外辐射灵敏。银氧铯光电阴极的相对光谱响应曲线画它有两个峰值，一个在350 nm处，一个在800 nm处。光谱范围在300 nm到1200 nm之间。量子效率不高，峰值处约0.5%～1%左右。银氧铯使用温度可达100℃，但暗电流较大，且随温度变化较快。

4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理 • 4.2.1 真空光电管的原理 1.结构－－玻璃管壳、光电阴极和阳极三部分组成。

２.工作原理 （1）、真空型光电管的工作原理当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴极面上时，光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动，被高电位的阳极收集，其光电流的大小主要由阴极灵敏度和入射辐射的强度决定。（ 2）、充气型光电管的工作原理　　　　　光生电子在电场的作用下运动，途中与惰性气体原子碰撞而电离，电离又产生新的电子，它与光电子一起都被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流。

优点：光电阴极面积大、灵敏度高，一般积分灵敏度可达20~200μA/lm、暗电流小，最低可达　　　　　，光电弛豫时间极短。优点：光电阴极面积大、灵敏度高，一般积分灵敏度可达20~200μA/lm、暗电流小，最低可达　　　　　，光电弛豫时间极短。缺点：体积较大、工作电压高达数百伏，　　　玻璃管壳容易碎

光电倍增管（Photo-multiple tube简称为PMT）是一种真空光电发射器件，组成如下： • 4.2.2 光电倍增管的原理光入射窗光电阴极电子光学系统倍增极阳极

１.基本原理 （１）光子透过入射窗口入射到光电阴极；（２）光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中；（３）光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上，倍增级将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经Ｎ级倍增后，光电子就放大Ｎ次；（４）经过倍增后的二次电子被阳极收集，形成阳极电流。

２. 光电倍增管的结构 （１）PMT的入射窗结构－－端窗式、侧窗式端窗式的阴极做成半球状？ a:阴极面各处的灵敏度均匀，受光面均匀； b:球面形状的阴极面所发出的电子经电子光学系统汇聚到第一倍增极的时间散差最小，光电子能有效的被收集到第一倍增极

(2)倍增极结构 1）材料：锑化铯（CsSb）材料具有很好的二次电子发射功能，它可以在较低的电压下产生较高的发射系数，电压高于400V时,δ值可高达10倍。氧化的银镁合金材料也具有二次电子发射功能，它与锑化铯相比二次电子发射能力稍差些，但它可以工作在较强电流和较高的温度（150℃）。铜-铍合金（铍的含量为2%）材料也具有二次电子发射功能，不过它的发射系数δ比银镁合金更低些。

--------聚焦型与非聚焦型 2）倍增极结构: 非聚焦型----百叶窗型与盒栅式盒栅式

聚焦型----瓦片静电聚焦型和圆形鼠笼式

4.3 光电倍增管的基本特性 1. 灵敏度 (1)阴极灵敏度单色波入射，光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量之比称为阴极灵敏度白光入射，光电倍增管阴极电流IK与光谱辐射通量的积分之比称为阴极积分灵敏度，记为Sk

(2)阳极灵敏度 定义光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射通量之比为阳极光谱灵敏度，并记为白光入射，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa

（2）当考虑到光电阴极发射出的电子被电子电子光学系统（2）当考虑到光电阴极发射出的电子被电子电子光学系统所收集，其收集系数为，且每个倍增极的收集系数都为，因此，增益G应修正为 2. 电流放大倍数（增益）电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性，它不但与倍增极材料的二次电子发射系数δ有关，而且与光电倍增管的级数N有关。（1）理想光电倍增管的增益G与电子发射系数δ的关系为

对于非聚焦型光电倍增管的η1近似为90%，ηi要高于η1，但小于1；对于聚焦型的，尤其是在阴极与第1倍增极之间具有电子限束电极F的倍对于非聚焦型光电倍增管的η1近似为90%，ηi要高于η1，但小于1；对于聚焦型的，尤其是在阴极与第1倍增极之间具有电子限束电极F的倍增管，其η1≈ηi ≈ 1，这个时候可以当理想光电倍增管。（3）二次电子发射系数δ的经验公式：锑化铯（Cs3Sb）倍增极材料氧化的银镁合金（AgMgO[Cs]）材料δ=0.025UDD （4）增益锑化铯倍增极材料银镁合金材料

光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为ID。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是很小的，一般为~A，是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为ID。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是很小的，一般为~A，是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。 3 . 暗电流影响暗电流的主要因素： • 欧姆漏电 • 热发射 • 残余气体放电 • 场致发射 • 玻璃壳放电和玻璃荧光

(1). 欧姆漏电 电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。

(2). 热发射 由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。这种热发射暗电流将对低频率弱辐射光信号的探测影响严重。在光电倍增管正常工作状态下，是暗电流的主要成分。降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法。

(3). 残余气体放电 光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。 (4). 场致发射光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极尖端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流。显然降低工作电压场致发射暗电流也将下降。

(5). 玻璃壳放电和玻璃荧光 当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间的电场很强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极电场最强。在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，放电和荧光都要引起暗电流，而且还将严重破坏信号。因此，在阴极为负高压应用时屏蔽壳与玻璃管壁之间的距离至少为10~20mm。

散粒噪声和负载电阻的热噪声 组成： 4. 噪声（1）负载电阻的热噪声：（2）散粒噪声：阴极暗电流Idk（热电子发射）背景辐射电流Ibk（光电流）信号电流Isk的散粒效应所引起的噪声。

散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产生散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产生自身的散粒噪声。每一个倍增极输出的散粒噪声电流如下: 第1级第2级第3级第n级

第N级 如果

总噪声电流 设计要求：设G=104，阴极暗电流Idk=10-14A，室温T=300K，只要阳极负载电阻Ra满足当然，提高光电倍增管的增益（增高电源电压）G，降低阴极暗电流Idk都会减少对阳极电阻Ra的要求，提高光电倍增管的时间响应。＜＜

(1). 阴极伏安特性 当入射到光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极电流Ik与阴极和第一倍增极之间电压(简称为阴极电压Uk)的关系曲线称为阴极伏安特性， 5. 伏安特性图4为不同光通量下测得的阴极伏安特性。从图中可见，当阴极电压较小时阴极电流Ik随Uk的增大而增加，直到Uk大于一定值(几十伏特)后，阴极电流Ik才趋向饱和，且与入射光通量φ成线性关系。

当入射到光电倍增管阳极面上的光通量一定时，阳极电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压(简称为阳极电压Ua)的关系曲线称为阳极伏安特性，图4-7为3组不同强度的光通量的伏安特性。当入射到光电倍增管阳极面上的光通量一定时，阳极电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压(简称为阳极电压Ua)的关系曲线称为阳极伏安特性，图4-7为3组不同强度的光通量的伏安特性。 (2). 阳极伏安特性当阳极电压增大到一定程度后，被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集，阳极电流Ia与入射到阴极面上的光通量φ成线性关系而与阳极电压的变化无关。

光电倍增管的线性一般由它的阳极伏安特性表示；也可以用阳极电流与入射到光电阴极上的光通量之间的关系表示。它是光电测量系统中的一个重要指标。线性与光电倍增管的内部结构、供电电路及信号输出电路等因素有关。光电倍增管的线性一般由它的阳极伏安特性表示；也可以用阳极电流与入射到光电阴极上的光通量之间的关系表示。它是光电测量系统中的一个重要指标。线性与光电倍增管的内部结构、供电电路及信号输出电路等因素有关。 6. 线性以偏离线性3%为界限

内因： • 空间电荷、光电阴极的电阻率、 • 聚焦或收集效率等的变化， • （2）外因： • 光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分配都可能破坏输出信号的线性。

光电阴极材料和倍增极材料中一般都含有铯金属。当电子束较强时，电子束的碰撞会使倍增极和阴极板温度升高，铯金属蒸发，影响阴极和倍增极的电子发射能力，使灵敏度下降。甚至使光电倍增管的灵敏度完全丧失。因此，必须限制入射的光通量使光电倍增管的输出电流不得超过极限值IaM。为防止意外情况发生，应对光电倍增管进行过电流保护，阳极电流一旦超过设定值便自动关断供电电源。光电阴极材料和倍增极材料中一般都含有铯金属。当电子束较强时，电子束的碰撞会使倍增极和阴极板温度升高，铯金属蒸发，影响阴极和倍增极的电子发射能力，使灵敏度下降。甚至使光电倍增管的灵敏度完全丧失。因此，必须限制入射的光通量使光电倍增管的输出电流不得超过极限值IaM。为防止意外情况发生，应对光电倍增管进行过电流保护，阳极电流一旦超过设定值便自动关断供电电源。 7. 疲劳与衰老

4.4 光电倍增管的供电电路 光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为首选的光电探测器。 • 1 电阻链分压型供电电路光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应用的情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电阻分压式供电电路。

如图4-8所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10级倍增极提供电压UDD。

（1）、电阻链的设计 电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当流过分压电阻的电流IR远远大于Ia时，即 IR ＞＞Ia时，流过各分压电阻Ri的电流近似相等。工程上常设计IR大于等于10倍的Ia电流。 IR≥10Ia

总电阻 R=Ubb/IR 选R1 R1=1.5 Ri 各分压电阻Ri： R9、R10、R11也应该适当取大些，并且不相等；中间几级根据增益需求选择，一般均分

（2）电源电压 极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数δ，或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。由可以计算出UDD与Ubb。一般Ubb：（1000~1500V）一般UDD：（80~100V）

2 末极的并联电容 当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。 (1) 电容C1的计算设阳极脉动电流是矩形脉冲，幅度为Iam，脉冲宽度为τ 电量变化为：如果这个变化是由电容提供的，则电容上的电压变化量为：

如果有： 就不会因阳极有脉动而使极间电压变化超过允许值。锑化铯（例）：银镁合金：

（2）电容C2、C3的计算

（1）电流稳定度 • 3 电源电压的稳定度锑化铯倍增极银镁合金倍增极

（2）输出信号的稳定度 输出信号：Uo=GSkφvRa 锑化铯倍增极银镁合金倍增极

在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。例4-1 设入射到PMT上的最大光通量为φv=12×10-6lm左右，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知它的倍增级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs材料，SK=40μA/lm，若要求入射光通量在6×10-6lm时的输出电压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？解 (1) 首先计算供电电源的电压根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性，可以选择阳极电阻Ra=82kΩ，阳极电流应不小于Iamin，因此

Iamin=UO/Ra=0.2V /82 kΩ=2.439μA 入射光通量为0.6×10-6lm时的阴极电流为 IK= SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA 此时，PMT的增益G应为由于G=，N=8，因此，每一级的增益δ=4.227，另外，SbCs倍增极材料的增益δ与极间电压UDD有，，可以计算出δ=4.227时的极间电压UDD 总电源电压Ubb为 Ubb=（N+1.5）UDD=741V

(2) 计算偏置电路电阻链的阻值 偏置电路采用如图4-8所示的供电电路，设流过电阻链的电流为IRi，流过阳极电阻Ra的最大电流为 Iam=GSKφvm=1.02×105×40×10-6×12×10-6=48.96μA 取IRi≥10 Iam，则 IRi=500μA 因此，电阻链的阻值Ri= UDD/ IRi=156kΩ 取Ri=120 kΩ，R1=1.5Ri=180 kΩ。 (3) 计算偏置根据式（4-35）输出信号电压的稳定度最高为

例4-2 如果GDB-235的阳极最大输出电流为2mA，试问阴极面上的入射光通量不能超过多少lm？解由于Iam=G SKφVm 故阴极面上的入射光通量不能超过

4.5光电倍增管的典型应用 光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流低和噪声，还能够在很大范围内调整内增益。因此，它在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。 4.5.1 光谱探测领域的应用 1、发射光谱发射光谱分析仪的基本原理如图4-10所示

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