《光电子发射探测器》PPT课件.ppt

《《光电子发射探测器》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《光电子发射探测器》PPT课件.ppt（68页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、理学院 光电子与物理学系 p0 e IM hv 光子探测器 M光电增益 输出光电流 光电导探测器： M可以大于 1 光电三极管： M102 雪崩光电二极管： M103 ？ M106 理学院 光电子与物理学系 第 05章 光电子发射探测器 Photoemissive detector,简称 PE探测器 光 电 管： 光电倍增管： 被半导体光电器件取代 极高灵敏度 106 快速响应 pS 应 用： 微弱光信号、快速脉冲弱光信号 也称为真空光电器件 理学院 光电子与物理学系 第 05章 光电子发射探测器 5.1 光电阴极 5.2 光电管和光电倍增管结构原理 5.3 光电倍增管的主要特性参数 5.4

2、光电倍增管的工作电路 5.1 光电阴极 具有外光电效应的材料 光电子发射体 光电子发射探测器中的光电子发射体 又称为 光电阴极 光电阴极 是完成光电转换的重要部件，其性能 好坏直接影响整个光电发射器件的性能！ 常用的光电阴极材料 反射系数大、吸收系 数小、碰撞损失能量 大、逸出功大适 应对紫外灵敏的光电 探测器。 光吸收系数大得多，散 射能量损失小，量子效 率比金属大得多光 谱响应：可见光和近红 外波段。 金属： 半导体： 5.1 光电阴极 0AE 0 AE 常规光电阴极 负电子亲和势阴极 半导体材料广泛用作光电阴极 1、常规光电阴极 （ 1） Ag O Cs材料： （ 2）单碱锑化物： （

3、3）多碱锑化物： （ 4）紫外光电阴极： 最早的光电阴极 表 5 1 主要应用于近红外探测 CsSb阴极最为常用 表 5 1 紫外和可见光区的灵敏度最高 Sb Na K Cs 最实用的光电阴极材料，高灵敏度、 宽光谱，红外端延伸 930nm，用于宽带光谱测量仪 5.1 光电阴极 1、常规光电阴极 4紫外光电阴极 光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵敏， 而对可见光无响应，这种阴极通常称为 “ 日盲 ” 型光电阴极 。 “日盲”型光电阴极 实用的两种： 碲化铯 (CsTe)长波限为 0.32m 碘化铯 (Csl) 长波限为 0.2 m。 响应范围 (100 280nm) 5.1 光电阴极 2. 负

4、电子亲和势阴极 Negative Electron Affinity ，简称 NEA 5.1 光电阴极 电子亲和势 EA 真空能级与导带 底 能级之差称为电子亲和势 电子亲和势越小，材 料发射光电子的能力 越强。 真空能级低于 导带 底 能级？ 2. 负电子亲和势阴极 Negative Electron Affinity ，简称 NEA 5.1 光电阴极 E 0 E c E v E A 电子亲和势 EA 真空能级与导带 底 能级之差称为电子亲和势 负 电子亲和势 真空能级低于 导带 底 能级 发射光电子的能力 更强 2. 负电子亲和势阴极 Negative Electron Affinity

5、，简称 NEA 5.1 光电阴极 1963年 Simon提出了 负电子亲和势 （ NEA）理论 1965年 J.J.sheer和 J.V.laar 用铯激活砷化镓得到 零电子亲和势 光电阴极； 研制出 GaAs-Cs负电子亲和势 光电阴极 负电子亲和势材料结构、原理 重掺杂的 P型 硅表 面涂 极薄 的金属 Cs， 经过处理形成 N型 的 Cs2O。 2. 负电子亲和势阴极 以 Si-Cs2O光电阴极为例 2. 负电子亲和势阴极 P型 Si的 电子亲和势 : N型 Cs2O电子亲和势 : EA1=E0-EC10 EA2=E0-EC20 体内： P型 表面： N型 表面 电子， 能级 Ec1 入

6、射光子 体内 电子，能级 Ec1 表面逸出电子 E0-Ec1 0 体内 有效 电子亲和势 : EAe=E0-EC10 EA2=E0-EC20 EAe=E0-EC11 5.3 光电倍增管的主要特性参数 电流增益的稳定性： nIIM 0 K A k dUC kn nk UA n UCM 10 U Ukn M M dd 例如， n 9 12，测量精度 1% 电源电压稳定度 0.1%。 5.3 光电倍增管的主要特性参数 3光电特性 阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系， 称为倍增管的 光电特性 。 1 0 43 % 1 0 1 0 lm 线 性 区 （ 1）弱光，例如光谱仪，开狭缝 （ 2

7、）线性，用于模拟量测量时重要 5.3 光电倍增管的主要特性参数 4光谱特性 （图 5 9和 5 10 ） 近红外 远紫外 可见光 短波限 窗口材料限制 长波限 阴极材料限制 5.3 光电倍增管的主要特性参数 4光谱特性 近红外光 紫外光 可见光 对比光谱响应范围： PE探测器 PV探测器 紫外光 可见光 红外远红外光 PC探测器 紫外光 可见光 红外极远红外光 5.3 光电倍增管的主要特性参数 5伏安特性 阴极伏安特性 阳极伏安特性： 光电二极管伏安特性： 恒流源 计算和分析方法相同 5.3 光电倍增管的主要特性参数 5伏安特性 阴极伏安特性 阳极伏安特性： 交流微变等效电路 恒流源 计算和分

8、析方法相同 5.3 光电倍增管的主要特性参数 6时间特性 5.3 光电倍增管的主要特性参数 三者分别对信号的响应产生什么影响？ 6时间特性 5.3 光电倍增管的主要特性参数 器件 时间特性 (单位： ns) 结 构 上升时间 渡越时间 渡越时间散差 直线聚焦型 0.7 3 1.3 5 0.37 1.1 环形聚焦型 3.4 31 3.6 盒栅型 7 57 70 10 百叶窗型 7 60 10 e0 1 0 k 4 p F = 4 0 n SLRC 外电路 时间特性 (单位： ns) 6时间特性 5.3 光电倍增管的主要特性参数 H C e 01 / 1 / 2 Lf C R 当电路时间常数较大，

9、倍增管的上限截止频率： 倍增管的响应时间 输出电路的时间常数 9噪声与噪声等效功率 阳极 散粒噪声 =阴极 散粒噪声 +各级 散粒噪声 fKe M IfKIeMi AK22nA 22 阳极（总的）散粒噪声的均方值： 5.3 光电倍增管的主要特性参数 fe M IfeIMiMi AK22nK22nA 22 阴极散粒噪声对阳极的贡献： 阳极 散粒噪声 =阴极 散粒噪声 +各级 散粒噪声 fe M IfeIMiMi AK22nK22nA 22 阴极散粒噪声对阳极的贡献： 各级散粒噪声对阳极的贡献： 112nK11K1K21nK2n D1 1122 ifeIfIeii 221212nK2n D 2 1

10、 ii fKqM IfKIqMi AK22nA 22 22n D n n K 1 2 n 1 2 n 2 3 n n1ii 5.3 光电倍增管的主要特性参数 阳极散粒噪声 =阴极散粒噪声 +各级散粒噪声 fq M IfqIMiMi AK22nK22nA 22 阴极散粒噪声对阳极的贡献： fKqM IfKIqMi AK22nA 22 阳极散粒噪声的均方值： 1 1 1 K 物理意义： 1.倍增起伏使阳极噪声增大 K倍 2. 增大 1, 改善信噪比 5.3 光电倍增管的主要特性参数 噪声增强因子 噪声等效功率 : AS i N E P 2 nA 1 / 22 1 / 2 KK 2( 2 ) AK

11、eI f KeM I f K N EP SS PMT 10-15 10-16 W/Hz1/2 PIN PD 10-14W/Hz1/2 APD 10-15W/Hz1/2 噪声等效功率 计算举例： 1 / 22 1 / 2 KK 2( 2 ) AK eI f KeM I f K N EP SS CR131 光谱响应范围 185 900nm；峰值波长 400nm 阴极最小有效面积 8 24mm2 典型增益 6 106 阳极典型暗电流 3nA,最大 50nA 阴极灵敏度 250A/Lm NEP=5.06 10-14Lm/Hz1/2 ?W/Hz1/2 5.3 光电倍增管的主要特性参数 1灵敏度 2电流增

12、益 3光电特性 4光谱特性 5伏安特性 6时间特性 7暗电流 8疲劳特性 9噪 声 理学院 光电子与物理学系 第 05章 光电子发射探测器 5.1 光电阴极 5.2 光电管和光电倍增管的结构原理 5.3 光电倍增管的主要特性参数 5.4 光电倍增管的工作电路 5.4 光电倍增管的工作电路 是保证其正常工作的必要条件，在常用的 光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。 工作电路： 高压供电电路 信号输出电路 分压电阻的确定 并联电容的确定 高压电源 接地方式 高压供电电路 分压电阻的确定 m a xAR 2010 II 总电压 UAK 在 1000 1500 V之间， 倍增极极间电压 UD在 80

13、 100V之 间可以确定 分压电阻 5.4 光电倍增管的工作电路 IR IAmax 高压供电电路 分压电阻的确定 5.4 光电倍增管的工作电路 实例： 说明： i. 第一级对阴极电流形成影响最大 ,高出 2030V ii. 中间级均匀分配 iii. 最后一级 ,要高 ,克服空间电荷区的影响 . 高压供电电路 并联电容的确定 探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳 最后几级并联旁路电容 C1、 C2、 C3。 U tIC A 1 100 C2、 C3 ？ 5.4 光电倍增管的工作电路 高压供电电路 高压电源 专用电源：电压波动在 0.05以内 5.4 光电倍增管的工作电路 高压供电电路

14、接地方式 缺点： 阴极负高压，屏蔽 困难，暗电流和噪声大。 优点： 屏蔽罩靠近阴极，效果 好；暗电流小，噪声低 阳极接地（负高压接法 ） 阴极接地 (正高压接法 ) 优点： 便于与后面放大器 相连，操作安全 缺点： 高压不利于安全操作； 接耐压很高的隔直电容器。 5.4 光电倍增管的工作电路 信号输出电路 交流微变等效电路 电流源 利用伏安特性： 负载电阻设计 输出电流 输出电压等计算 5.4 光电倍增管的工作电路 信号输出电路 用 负载电阻 实现 I/V转换： 较大的负载电阻 1.频率响应变差 2.饱和引起非线性 5.4 光电倍增管的工作电路 负载电阻太大，阳极电压 降低 饱和引起非线性 信

15、号输出电路 用 负载电阻 实现 I/V转换： 用 运算放大器 实现 I/V转换： 1. 良好的线性 2. 良好频率响应特性 3. 转换效率高 较大的负载电阻 1.频率响应变差 2.饱和引起非线性 5.4 光电倍增管的工作电路 理学院 光电子与物理学系 光电倍增管应用举例 超高速 碰撞闪光 光电倍增管测量系统 光电倍增管应用举例 碰撞闪光的光电信号随时间变化曲线 峰前部分碰撞物的速度和碰撞角度、尺寸、密度和组成 峰后部分碰撞产生的热羽黑体辐射衰减信号 强度峰值持续时间间隔弹丸参数 黑体衰减持续时间长短靶板参数。 光电倍增管应用举例 闪烁计数器 ： 闪烁晶体（ NaI） + 光电倍增管 光电倍增管

16、应用举例 闪烁计数器 ： 闪烁晶体（ NaI） + 光电倍增管 PET系统 注入放射性物质，放射正电子，同周围的电子结合 淬灭，射出 511kev的 射线 ,由 探测器接收 ，可确定 体内淬灭电子位置，得到 CT像。 理学院 光电子与物理学系 光电倍增管应用举例 滨松生产的高通量（ high-throughput） PET系统 理学院 光电子与物理学系 光电倍增管应用举例 PET扫描图像显示了许多疾病的早期征兆 本章小结： 1光电子发射探测器是利用外光电效应制成的器 件。光电倍增管： 高灵敏度 、 高响应速度 。 2光电阴极：常规光电阴极和负电子亲和势阴 极。 3光电倍增管主要参数。噪声：阴极电流散粒噪 声和各级倍增极的散粒噪声。 4光电倍增管工作电路：高压供电电路和信号输 出 电路。