光电检测技术 第五章.ppt

§5.1 光电子发射效应 §5.2 光电管 §5.3 光电倍增管 §5.4 各种光电探测器件的性能比较和应用选择 光电发射第一定律 当入射辐射的光谱分布不变时，饱和光电流I与入射的辐通量成正比。 光电发射第二定律 发射的光电子的最大动能随入射光子光频率的增加而线性地增加，而与人射光的强度无关。该定律为爱因斯坦发现，故又称爱因斯坦定律，表达式为 1/2mvmax2 = hυ-ω 式中 m为光电子的质量；vmax为出射光电子的最大速度；υ为光频率；ω为发射体材料的逸出功。 公式表明：入射光子的能量必须大于物体的逸出功，才能使电子有足够的动能逸出表面。 光电管 光电管 光电倍增管 光电倍增管 光电倍增管 光电倍增管 光电倍增管 (1)光子透过入射窗口入射在光电阴极上；（2）光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中；（3）光电子通过电场的加速和电子光学系统聚焦入射到第一个倍增极上，由于光电子能量很大，它打在倍增极上时就又激发出数目更多的二次光电子；在电场的作用下，二次光电子又打在第二个倍增极D2上又引起一次二次电子发射；如此继续下去，电子流迅速倍增；（4）最后经过倍增后的二次电子被阳极收集，形成阳极光电流。收集的阳极电子流比阴极的电子流一般大102—105倍。 光电倍增管 （1） 灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管的一个重要参数； 光电倍增管的灵敏度一般包括光谱响应、阴极灵敏度和阳极灵敏度； 阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材料性质。 阳极的灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大倍数或称为内增益的乘积，而其光谱响应曲线基本上与阴极的。 光电倍增管 光电倍增管 光电倍增管的光谱响应度曲线就是光电阴极的光谱响应度曲线：它主要取决于光电阴极的材料。 （6） 噪声 光电倍增管的噪声主要有热噪声、闪烁噪声、散粒噪声及低频噪声等。其中起主导作用的是散粒噪声。 （7）伏安特性 分为阴极和阳极伏安特性 产生非线性的因素有： 内因：空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率的变化。 外因：由于信号电流造成负载电阻的负反馈和电压的再分配。 （1）高压供电 电压极性(正、负高压之分）；线性供电方式；脉冲信号工作方式。 阳极接地，负高压供电: 可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差。 （2 ）信号输出 光电倍增管的截止频率： fc=1/2?CRL 负载电阻输出： 在脉冲工作时，要考虑极间电容和杂散电容(即阳极对地电容)影响，RL值过大也会影响脉冲上升沿和脉宽。 RL值太大时热噪声会增加。因此RL值一般由实验确定最佳值。选择负载电阻的建议： 在频响要求比较高的场合，负载电阻应尽可能小一些。 当输出信号的线性要求较高时，选择的负载电阻应使信号电流在它上面产生的压降在几付以下。 负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多。 光电倍增管的选择 一般应考虑所选管型与待测光的光谱响应应一致，因此选择适当的光阴极是主要的； 对低能和弱光的探测应采用阴极灵敏度高与暗电流小、噪声低的管子； 阴极尺寸的选择取决于光信号照射到阴极上的面积，光束窄可选用小阴汲直径的管子，通常阴极大小决定于光电倍增管的大小； 阳极灵敏度的确定是根据入射到光电阴极的光通量和需要输出的信号大小估算而得； 除此之外还应考虑耐震、高温等条件。 正确使用光电倍增管，应该注意： 阳极电流应不超过1uA，可以减缓疲劳和老化效应，减少负载电阻反馈和分压器电压再分配效应。 电压分压器中流过的电流至少应大于期望的最大阳极电流1000被，即1mA，但是不必过分加大，以免发热。 高压电源的稳定性必须为所需测量精度的10倍左右，对电压的纹波系数也应有所规定，一般应小于0.001%。 阴极和第一倍增级之间，以及末级倍增级和阳极之间的级间电压应设计得与总电压无关。 光电倍增管的输出信号采用运算放大器作电流电压变换，以获得高的信噪比和好的线性。 应采取电磁屏蔽，最好使屏蔽筒与阴极处于相同电位。 光电倍增管应储存在黑暗中，使用前最好先接通高压电源，在黑暗中存放几小时。 测量很弱的辐射时，光电倍增管的冷却温度一般取-2摄氏度。 最好在光电阴极前放置优质的漫射器，可减少因光阴极区域灵敏度不同而引起的误差。 为得到最稳定的相对光谱灵敏度，光电倍增管应让其自然老化数年。 制造厂、参考书所提供的数据均是典型值，光电倍增管参数的离散性很大，要获得确切的数据，只能逐个测定。 （1）光谱测量 （2）极微弱光信号的探测——光子计数 （3）射线的探测 （2）极微弱