S2光电探测器件03.ppt

C2 光电探测器件,理学院 宋旸,2,2 光电探测器件,2.1 光电探测器的物理效应 2.2 光电探测器的性能参数 2.3 外光电效应型光电探测器 2.4 内光电效应型光电探测器 2.5 固体成像器件 2.6 光电探测光源,3,2 光电探测器件,4,2.3 外光电效应型探测器,2.3.1 光电阴极 2.3.2 真空光电管 2.3.3 充气光电管 2.3.4 光电倍增管 2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器),5,2.3.1 光电阴极,光电发射体：能够产生光电发射效应的物体 光电发射体在光电器件中常作为阴极，即光电阴极 光电阴极主要参数 1 灵敏度 光照灵敏度：在一定的白光(色温2856K的钨丝灯)照射下，光电阴极光电流与入射的白光光通量之比，称白光灵敏度或积分灵敏度。 色光灵敏度：在局部波长范围的积分灵敏度，表示在某些特定波长区域，阴极光电流与入射光的白光光通量之比。可以采用插入不同的滤光片来获得不同的光谱范围。 光谱灵敏度：确定波长的单色光照射时，阴极光电流与入射的单色辐射通量之比,6,2.3.1 光电阴极, 光电阴极主要参数 2 量子效率,3 光谱响应曲线,表征光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射波长的关系,4 热电子发射,光电阴极中有一些电子的热能有可能大于光电阴极逸出功， 产生热电子发射,7,2.3.1 光电阴极, 光电阴极的分类,8,2.3.1 光电阴极, 常用光电阴极材料,1 Ag-O-Cs 银氧铯,2 单碱锑化物,3 多碱锑化物,4 负电子亲和势光电阴极(NEA),电子亲和势指的是半导体导带底部到真空能级间的能量值，它表征材料在发生光电效应时，电子逸出材料的难易程度。电子亲和势越小，就越容易逸出。,如果电子亲 和势为零或负值，则意味着电子处于随时可以脱离的状态，用电子亲和势为负值的材料制作的光电阴极，由光子激发出的电子只要能扩散到表面就能逸出，因此灵敏度极高。,9,2.3.1 光电阴极, 常用光电阴极材料,4 负电子亲和势光电阴极(NEA),(1) 量子效率高,10,2.3.1 光电阴极, 常用光电阴极材料,4 负电子亲和势光电阴极(NEA),(2) 光谱响应率均匀，光谱响应向红外延伸,PEA的阈值波长,NEA的阈值波长,(3) 热电子发射小,与光谱响应范围相同的正电子亲和势的光电发射材料相比，负电子亲和势材料的禁带宽度更宽，因而热电子不容易发射,(4) 光电子能量集中,11,2.3.2 真空光电管,真空光电管（又称电子光电管）由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。 当入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光电效应，光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下，光电子在极间作加速运动,最后被高电位的阳极接收,在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。,12,2.3.2 真空光电管,中心阴极型：透明窗镀导电膜，阴极面积小，光照效率低。中心对称性好，电子运动的距离相同，运动一致性好，测量光电子的速度分布。,13,2.3.2 真空光电管,中心阳极型：阴极为半球面结构，中心阳极收集电子。光照面积大，空间电场分布均匀对称，电子运动路径相同，极间电容小，电子渡越时间一致性好，高频特性好。缺点是光电子接收特性差,需要较高的阳极电压,14,2.3.2 真空光电管,半圆柱阴极型：收光面积大，极间电场均匀性好，电子路径一致性好。这种结构有利于增加极间绝缘性能和减少漏电流,15,2.3.1 真空光电管,平行平板型：收光面积大，极间电场均匀性好，光电子从阴极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹。电子路径一致性好。极间电容大，时间响应特性不好。电流信号转变成电压信号，探测器形成电容，影响电信号的输出特性。,16,2.3.1 真空光电管 主要参数, 光照特性,阳极电压U不变，辐射光谱特性给定，输出电流I与光辐射功率P的关系。,P太小时：暗电流与信号电流可比，测量输出信噪比明显下降。 P太大时：光电子补充困难，电子发射率降低，大电流状态下输入输出偏离线性响应，输出电流趋于饱和。电流过大，阳极层间电压下降增大，影响阳极的电荷接收率。,17,2.3.2 真空光电管 主要参数, 光谱特性,光辐射功率P、阳极电压U不变，输出电流I与辐射光谱的关系。,18,2.3.2 真空光电管 主要参数, 伏安特性,给定辐射光谱、功率，输出电流I与阳极电压V的关系。, 不同的电极结构，有不同的饱和光电流。, 对同一光电管，饱和光电流随入射光通量的增加而增大, 对于不同入射波长的光，即使光通量相同，饱和电流也不同。,19,2.3.2 真空光电管 主要参数, 时间（频率）特性,输出信号电压,一般规定， 下降到,频率 为探测器的截止响应频率和响应频率。,20,2.3.2 真空光电管 主要参数, 稳定性,时间稳定性 疲劳：长时间连续使用时灵敏度下降；强光作用灵敏度下降。黑暗中久置，在一定程度上能够恢复。 衰老：阴极材料分解。真空程度下降，气壁上气体释放。,温度稳定性 稳定。 产生不可逆转的衰老 阴极面层电阻增大，灵敏度下降,21,2.3.3 充气光电管,充气光电管（又称离子光电管）由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。,常用的电极结构有中心阴极型、半圆柱阴极型和平板阴极型。,充气光电管最大缺点是在工作过程中灵敏度衰退很快，其原因是正离子轰击阴极而使发射层的结构破坏。,22,2.3.3 充气光电管,充气光电管按管内充气不同可分为单纯气体型和混合气体型。 单纯气体型：这种类型的光电管多数充氩气，优点是氩原子量小，电离电位低，管子的工作电压不高。有些管内充纯氦或纯氖，使工作电压提高。 混合气体型：常选氩氖混合气体，其中氩占10左右。,23,2.3.3 充气光电管 主要参数, 光电特性,不存在稳定的线性工作区。阳极电压U越大，输出电流I越大；气压P越大，输出电流I越大。,24,2.3.3 充气光电管 主要参数, 伏安特性,不存在光电流饱和现象,25,2.3.3 充气光电管 主要参数, 时间（频率）特性,离子质量远远大于电子质量，平均速度远小于电子平均速度，极间渡越时间大大加长。时间特性明显变坏。, 暗电流,电离的涨落明显增强，没有辐射也可能引起输出脉冲。,26,2.3.4 光电倍增管,光电倍增管是基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。,27,2.3.4 光电倍增管,光电倍增管主要部件,入射窗口,光电阴极,电子光学系统,电子倍增系统,阳极,28,2.3.4 光电倍增管, 入射窗口,侧窗式：通过管壳的侧面接收入射光，一般使用反射式光电阴极，大多采用鼠笼式倍增级结构。,端窗式：从玻壳顶部接收入射光，采用透射式光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面。,29,2.3.4 光电倍增管, 电子光学系统,电子光学系统指阴极到倍增系统第一倍增级之间的电极空间，包括光电阴极、聚焦级、加速级和第一倍增级, 使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇集到第一倍增级上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比。, 使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越时间尽可能相等，保证光电倍增管的快速响应。,30,2.3.4 光电倍增管, 电子倍增系统,电子倍增系统是由许多倍增级组成的综合体，每个倍增级都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。,二次发射系数,倍增级材料 1）Ag-O-Cs CsSb 2）氧化物型 3）合金型 4）负电子亲合势材料,31,2.3.4 光电倍增管, 电子倍增系统,侧窗聚焦型,直接定向线性聚焦型,a 鼠笼式,32,2.3.4 光电倍增管,b 盒栅式,c 直线聚焦式, 电子倍增系统,33,2.3.4 光电倍增管, 电子倍增系统,d 百叶窗式,e 近贴栅网式,f 微通道板式,34,2.3.4 光电倍增管, 电子倍增系统,6种端窗式PMT的倍增极结构比较,35,2.3.4 光电倍增管, 阳极,阳极：输出最终的倍增电子流。,36,2.3.4 光电倍增管,37,2.3.4 光电倍增管 主要参数, 灵敏度,1）光谱响应 阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口材料性质 阳极的光谱灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数之积,2）阴极灵敏度,3）阳极光照灵敏度,38,2.3.4 光电倍增管 主要参数,光电倍增管的二次电子发射系数是倍增极间电压的函数,由光电阴极发射的光电流撞击第一倍增级后，产生二次发射电流，其二次电子发射系数为,第N级的二次电子发射系数为,阳极输出电流为, 增益,39,2.3.4 光电倍增管 主要参数,光电倍增管的放大倍数为,若倍增管各级分压均匀，级间电压相等，则放大倍数与所加电压关系为, 增益,40,2.3.4 光电倍增管 主要参数,注意，G与所加电压有关，一般在 之间。如果电压波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统汁涨落。所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。, 增益,41,2.3.4 光电倍增管 主要参数, 暗电流,在施加规定电压后，在无光照情况下的阳极电流 决定PMT的极限灵敏度,热电子发射 极间欧姆漏电 残余气体及场致发射,42,2.3.4 光电倍增管 主要参数, 暗电流,在低电压下，暗电流由漏电流决定；电压较高时。主要是热电子发射；电压再大，则导致场致发射和残余气体离子发射，暗电流急剧增加,43,2.3.4 光电倍增管 主要参数, 噪声,PMT的噪声主要有光电器件本身的散粒噪声和热噪声、负载电阻的热噪声、光电阴极和倍增发射时的闪烁噪声,减少噪声和暗电流的有效方法是致冷, 伏安特性,阴极伏安特性 入射光通量一定时，阴极光电流与阴极和第一倍增级之间的电压,阳极伏安特性 入射光通量一定时，阳极光电流与阳极和最后一级倍增极之间的电压,44,2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器),微光通道板 由大量平行堆积的微通道电子倍增器组成的薄板 微通道是一块通道内壁具有良好二次发射性能（3）和导电性能的微细玻璃纤维，孔径为6-45m，长度为0.6-1.6mm,45,2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器),工作时管子两端加直流电压，管内建立均匀电场。,入射电子进入CEM低电位端后和管壁表面相撞并发射出二次电子。,二次电子被管内电场沿轴向加速，获得足够高的能量后又与管壁相撞并产生更多的二次电子。最终在高电位端输出增益达 的电子束。,46,2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器),微通道板必须工作在高真空的条件下。 电子在倍增过程中走的路程很短，仅几毫米,飞行时间只有1纳秒左右,飞行时间涨落则更小，从而有可能成为皮秒级的光电转换，电子倍增器件中的重要组成部分。,47,2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器),增益特性、电流传递特性、噪声特性,增益：输出电流与输入电流之比。,材料常数k（决定二次发射系数）、通道电压U 、发射初电位v0、结构参数管道长径比,48,2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器),增益：输出电流与输入电流之比。,增益与通道绝对尺寸无关,微通道板长径比的最佳值,最大增益,49,2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器), 电流传递特性,微通道板的自饱和效应：当输入电流大到一定程度时，输出电流出现饱和现象。,自饱和效应使像管具有防强光的特性，因强光产生的光电流受微通道板饱和电流的限制而不会输出过高的电流。,50,2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器), 电流传递特性,1 通道壁的电阻效应,微通道板施加工作电压U，在通道壁上产生传导电流,由于通道内壁发射二次电子，产生局部附加电流，Is(x)，其方向与传导电流相反，是通道轴向坐标x的函数，在输入端最小，随倍增级数增加而变大，在输出端达到最大。,微通道板在工作状态，通道板内电流为,51,2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器), 电流传递特性,1 通道壁的电阻效应,通道内的电压降为零，场强为零,电子通过通道时得不到加速，没有足够能量产生二次电子,通道的输出电流不再随输入电流增加而增加，形成输出电流密度的饱和。,饱和的输出电流密度值等于微通道板在工作电压下形成的传导电流密度,52,2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器), 电流传递特性,2 通道壁的充电效应,但微通道板处于脉冲工作状态，由于通道壁的电子发射在脉冲工作瞬间不完全需要由传导电流来补充损失的电子，在短瞬间可以输出大于通道电阻效应所限定的饱和电流密度。在此瞬间通道壁被充上正电荷，不能维持较长时间的电子发射。,脉冲工作的饱和电流密度取决于充电效应。极限工作状态是通道输出端充电形成电场完全抵消工作电场，从而发射的二次电子得不到加速不能再产生二次电子倍增，出现脉冲工作的输出电流饱和。,微通道板处于短脉冲工作状态下的最大输出电荷量为,53,2.3.5 微光通道板(通道电子倍增器),暗电流噪声：没有输入时通道输出电流。 散粒噪声：二次发射过程随机性。 正离子反馈：正离子在通道中沿反方向运动，碰撞管壁时也会激发二次电子。 微通道板增益不均匀性引入噪声。, 噪声,Click to edit company slogan .,Thank You !,