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§4-3 光探测器件 光电倍增管PMT 半导体光电器件PD 电荷耦合器件CCD 光电倍增管 一、基本原理和构造 1、PMT 的构造 光阴极：接受光子发射光电子的电极，由以碱金属为主要成分的半导体化合物材料构成，其光电效应几率大，光电子脱出功较小。 实用的光阴极种类： 1）锑铯化合物 Sb-Cs: 对350－650nm的光都灵敏，其电阻比双碱光阴极低，适于大电流流过光阴极场合的测量。 2）双碱：Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs, 与Sb-Cs具有相似的(300－550nm)光谱特性，但灵敏度高，暗电流小，与NaI(Tl) 的发光波长相配，应用广。 另一种双碱Sb-Na-K，可耐175 0C高温，可用于石油勘探等高温场合。室温下暗电流非常小，用于单光子测量和低噪声测量。 3）Cs-I: 对太阳光不灵敏，被称为“日盲”。波长200nm时，灵敏度急剧下降。波长范围：115－200nm。测量波长115nm的光，应选用无窗PMT。 4）多碱 Cs-Na-K-Cs: 具有从紫外－850nm的宽光谱，用于氮氧化合物的化学发光探测。 5）Ag-O-Cs: 300-1200nm灵敏，用于红外探测，In-Ga-As(Cs)在900-1000nm信噪比比Ag-O-Cs好得多。 光学窗：形状有侧窗式和直头窗口式。材料由所探测的光波长决定：硼玻璃窗透可见光，石英窗透紫外光。 一般直径在 5~125mm，目前最大光阴级直径达500mm 电子光学输入系统：由于光阴极面积较大，为了提高倍增极收集光电子的效率，和使光阴极不同部分发射的光电子被收集的效率均匀。由光阴极和第一倍增极之间的聚焦极构成，作用是把光阴极各个方向上发射的光电子聚焦到第一倍增极。 二次发射倍增系统：由8－13个倍增极（打拿极）组成，工作时各电极依次加上递增的电位。每个倍增极的电子倍增系数为N， N＝3－6倍，则PMT的放大倍数M＝ Nk, k倍增极个数。要求二次发射系数大，热电子发射少，大电流工作稳定性好。常用材料与光阴极相似CuBe、Mg-O-Cs 、Sb-K-Cs，Sb-Cs化合物、AgHg、和Ga-P-Cs等材料。 阳极：最后收集电子并输出信号的电极，采用电子脱出功较大的材料，如镍、钼、银等，一般做成网状。 2、PMT的类型 微通道板Micro-channel Plate 内径6－20μm的铅玻璃上的孔，内壁是一层特殊的玻璃涂层既是电阻体又是二次发射体。R=109-1011?, N?3。 M=104-105 两级M=107 高速响应tr=0.1-0.3ns, ?=0.4ns 可在磁场中工作，B平行管轴15KGs，B垂直管轴1KGs。 具有二维高空间分辨本领和图像增强能力，作像增强器。 低噪声，对带电粒子、紫外线、X、?、中子都灵敏。 常用材料：玻璃半导体、陶瓷半导体和有机半导体。 配合多阳极结构可形成多通道输出 光刻微网型：除好的线性、均匀性和快时间响应外，最大的特点就是可以抗高磁场。在1.5T下仍能正常工作。 光刻金属微通道型：必威体育精装版发展和快速改进的新型光电倍增管，除好的线性、均匀度、快时间响应和抗磁场特性外，可以制成大面积、短尺寸，配合多阳极结构可形成多通道输出。 混合型：用APD、CCD代替打拿极和阳极，具有极快的时间相应和极高的灵敏度。但放大倍数低，工作高压很高。 二、PMT的主要参量和特性 光阴极灵敏度和阳极灵敏度：通常用光照灵敏度（标准白光源－钨丝灯@285K时照射光阴极）。特殊：蓝光或红光灵敏度（在标准白光源之前加滤光片）。 阳极放大倍数M：定义为在一定电压下PMT阳极输出电流iA与光阴极电流iK之比。与每个倍增极二次发射系数?和倍增极数目n有关，与所加高压有关。 量子效率：在一定入射波长下光阴极发射光电子数与入射光子数之比，反映了光阴极的光电转换效率，是光阴极灵敏度的另一种表示方法。 光谱响应：光阴极量子效率与入射波长之间的关系。不同的光阴极材料有不同的光谱响应。对入射波长短的应选用透紫玻璃或石英窗。 光阴极和窗材料的光谱响应曲线 PMT窗材料的光谱响应曲线 二、PMT的主要参量和特性 暗电流和噪声：PMT无光照射时产生的电流， 通常为10-7-10-11A。产生暗电流的原因主要有： 1）漏电流：管内绝缘材料和管座电阻的漏电和沿管壁表面的漏电。 2）热发射：由于光阴极材料的电子脱出功很小，室温下会发射热电子（从几率上说几乎都是单电子），也得到倍增，是暗电流的主要成分。冷却PMT是有效办法。 3）残余气体电离：管内剩余气体被电子电离，其正离子会冲击光阴极和倍增极，打出电子被倍增成为暗电流。当工作电压很高，放大倍数很大时会比较严重。 4）其他原因：如高压放电、宇宙线μ子穿过窗玻璃产生切伦科夫光子等。 二、