第5章真空光电器件.ppt

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1、第第5章章 真空光电器件真空光电器件了解：了解：光电阴极的定义和真空光电器件的定义、分类、结构；光电阴极的定义和真空光电器件的定义、分类、结构；理解：理解：常用光电阴极的材料：常用光电阴极的材料：Ag-O-Cs、单碱锑化合物、单碱锑化合物(PEA)、多碱锑化合物多碱锑化合物(PEA)、负电子亲合势材料、负电子亲合势材料(NEA)和紫外和紫外 光电阴极材料；光电阴极材料；理解：理解：负电子亲和势材料的光电阴极具有四个特点；负电子亲和势材料的光电阴极具有四个特点；理解：理解：光电管与光电倍增管结构、组成、工作原理；光电管与光电倍增管结构、组成、工作原理；理解：理解：二次电子发射原理和二次电子发射过

2、程三个阶段。二次电子发射原理和二次电子发射过程三个阶段。了解：了解：倍增极结构、特点和阳极的作用；倍增极结构、特点和阳极的作用；能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电发射体在光电器件中常与阴极相联故称为光电阴极发射体在光电器件中常与阴极相联故称为光电阴极 。(一一).).光电阴极的主要参数光电阴极的主要参数2.2.量子效率量子效率 3.3.光谱响应曲线光谱响应曲线 4.4.热电子发射热电子发射 1.灵敏度灵敏度真空光电器件是基于外光电效应的光电探测器真空光电器件是基于外光电效应的光电探测器 结构特点结构特点:有一个真空管、一个光电阴极和有一

3、个真空管、一个光电阴极和一个光电阳一个光电阳极。极。光电阴极和其它元件都放在真空管中。光电阴极和其它元件都放在真空管中。真空光电器件包括光电管和光电倍增管真空光电器件包括光电管和光电倍增管什么是光电阴极什么是光电阴极?一一.光电阴极光电阴极1.1.灵敏度灵敏度光照灵敏度光照灵敏度色光灵敏度色光灵敏度光谱灵敏度光谱灵敏度灵敏度灵敏度色温色温2856K的钨丝灯的钨丝灯(1)(1)光照灵敏度光照灵敏度 在一定的白光照射下，光电阴极的光电流与入射的白在一定的白光照射下，光电阴极的光电流与入射的白光光通量之比光光通量之比,也称白光灵敏度或积分灵敏度。也称白光灵敏度或积分灵敏度。它表示在某些特定的波长区域

4、，阴极光电流与入射光它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光的光通量之比。的光通量之比。(2)(2)色光灵敏度色光灵敏度 一般用不同的滤光片来获得不同的光谱范围，滤光片一般用不同的滤光片来获得不同的光谱范围，滤光片的透射比不同，它又分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度及的透射比不同，它又分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度及红外灵敏。红外灵敏。实际上是局部波长范围实际上是局部波长范围的积分灵敏度的积分灵敏度QB:中国青色或兰色中国青色或兰色玻璃玻璃(德国德国:BG)HB:中国红色玻璃中国红色玻璃 2.2.量子效率量子效率 阴极发射的光电子数阴极发射的光电子数 Ne()与入射的光子数与入射的光子数 N

5、p()之比，之比，称为量子效率称为量子效率:量子效率和光谱灵敏度之间的关系量子效率和光谱灵敏度之间的关系:式中式中,单位为单位为nm；S()为光谱灵敏度，单位为为光谱灵敏度，单位为A/W。波长一定的单色光照射时，光电阴极发出的光电流波长一定的单色光照射时，光电阴极发出的光电流与入射的单色光通量之比。与入射的单色光通量之比。(3)(3)光谱灵敏度光谱灵敏度()()()eIS)()()(peNN1240)()(/)(/)()(eSqhcShqI可以看出：可以看出：量子效率和量子效率和光谱灵敏度光谱灵敏度是同一物理是同一物理意义的两种意义的两种不同描述不同描述 光电阴极中有一些电子的热能有可能大于光

6、电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，因而可产生热电子发射。阴极逸出功，因而可产生热电子发射。热电子发射会引热电子发射会引起噪声，限制了探测起噪声，限制了探测器灵敏度极限。器灵敏度极限。室温下典型光电阴极室温下典型光电阴极每秒每平方厘米发射每秒每平方厘米发射的热电子相当于的热电子相当于l0-16 10-17A/cm23.3.光谱响应曲线光谱响应曲线 光电阴极的光谱灵敏度与入射光波长的关系曲光电阴极的光谱灵敏度与入射光波长的关系曲线，称为光谱响应曲线。线，称为光谱响应曲线。4.4.热电子发射热电子发射S()/nm光电阴极一般分为光电阴极一般分为:透射型与反射型两种透射型与反射型两

7、种。不透明阴极通常较不透明阴极通常较厚，光照射到阴极上，厚，光照射到阴极上，光电子从同一面发射光电子从同一面发射出来，所以不透明光出来，所以不透明光电阴极又称为电阴极又称为反射型反射型阴极阴极(二二).).光电阴极的分类光电阴极的分类 透射型阴极通常制作透射型阴极通常制作在透明介质上，光通过在透明介质上，光通过透明介质后入射到光电透明介质后入射到光电阴极上。光电子则从光阴极上。光电子则从光电阴极的另一边发射出电阴极的另一边发射出来，所以透射型阴极又来，所以透射型阴极又称为称为半透明光电阴极。半透明光电阴极。透射型阴极光电子的透射型阴极光电子的逸出深度是有限的，因逸出深度是有限的，因此，所有半透

8、明光电阴此，所有半透明光电阴极都有一个极都有一个最佳厚度最佳厚度。锑和几种碱金属形成的化合物包括双碱锑材料锑和几种碱金属形成的化合物包括双碱锑材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三碱锑材料和三碱锑材料Sb-Na-K-Cs等，等，Sb-Na-K-Cs是是最实用的光电阴极材料，具有高灵敏度和宽光谱响应，其最实用的光电阴极材料，具有高灵敏度和宽光谱响应，其红外端可延伸到红外端可延伸到930nm，适用于宽带光谱测量仪，适用于宽带光谱测量仪.金属锑与碱金属锂、钠、钾、铯中的一种构成的化合物，金属锑与碱金属锂、钠、钾、铯中的一种构成的化合物，都是能形成具有稳定光电发射的发射材料，都是能形成具有稳定光电发射

9、的发射材料，CsSb最为常用，最为常用，在紫外和可见光区的灵敏度最高。在紫外和可见光区的灵敏度最高。热电子发射小，表面附近无自由电子，热电子发射小，表面附近无自由电子，P-Si禁带宽度大，禁带宽度大，热激发很小；热激发很小；量子效率高，溢出深度大；量子效率高，溢出深度大；光谱响应率均匀光谱响应率均匀,且光谱响应延伸到红外；且光谱响应延伸到红外；光电子的能量集中。光电子的能量集中。某些应用，要求光电阴极材料只对所探测的紫外辐射某些应用，要求光电阴极材料只对所探测的紫外辐射灵敏，对可见光无响应。这种材料通常称为灵敏，对可见光无响应。这种材料通常称为“日盲日盲”型光型光电阴极材料，也称紫外光电阴极材

10、料。目前实用的紫外光电阴极材料，也称紫外光电阴极材料。目前实用的紫外光电阴极碲化铯电阴极碲化铯(CsTe)和碘化铯和碘化铯(Csl)两种。两种。负电子亲和势材料制作的光电阴极与正电子亲和势材负电子亲和势材料制作的光电阴极与正电子亲和势材料光电阴极相比料光电阴极相比,具有以下四点特点具有以下四点特点(三三).常用光电阴极材料常用光电阴极材料 透射型光谱响应透射型光谱响应:300nm到到1200nm，反射型光谱响，反射型光谱响应应:300m到到1100nm。Ag-O-Cs光电阴极主要应用于近红外光电阴极主要应用于近红外探测。探测。(1)Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。具有良好的可见和近红

11、外响应。(2)单碱锑化合物单碱锑化合物(PEA)(3)多碱锑化合物多碱锑化合物(PEA)(4)负电子亲合能材料负电子亲合能材料(NEA)(5)紫外光电阴极材料紫外光电阴极材料长波限为长波限为0.32m长波限为长波限为0.2m一个好的光电发射材料，应具备下列条件：一个好的光电发射材料，应具备下列条件：光吸收系数大；光吸收系数大；光电子在体内传输时受到的能量损失小，使溢出深度大；光电子在体内传输时受到的能量损失小，使溢出深度大；表面势垒低（电子亲和势小），使电子从表面溢出的概率大；表面势垒低（电子亲和势小），使电子从表面溢出的概率大；热电子发射系数小。热电子发射系数小。这些材料的真空能级在导带之中

12、，从而使有效的电子这些材料的真空能级在导带之中，从而使有效的电子亲和势变为负值，这种材料称作负电子亲和势光电阴极材亲和势变为负值，这种材料称作负电子亲和势光电阴极材料。常用的有料。常用的有:GaAs(Cs)和和InGaAs(Cs)光电管主要由玻壳光电管主要由玻壳（光窗）、光电阴极（光窗）、光电阴极和阳极三部分组成和阳极三部分组成 PT内可以抽成真空也可内可以抽成真空也可以充入低压惰性气体，有真以充入低压惰性气体，有真空型和充气型两种。空型和充气型两种。二二 光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管(一一).).光电管光电管(PT)(PT)简述真空型和充气型两简述真空型和充气型两种光电管的工作原理种

13、光电管的工作原理?工作原理工作原理 这种型式一般这种型式一般应用在光谱仪应用在光谱仪和发光强度测和发光强度测量中量中侧窗式光电倍增侧窗式光电倍增管一般使用反射管一般使用反射式光电阴极，而式光电阴极，而且大多数采用鼠且大多数采用鼠笼式倍增极结构笼式倍增极结构PMTPMT的光的光窗是入射窗是入射光的通道光的通道 侧窗型光侧窗型光电倍增管是电倍增管是通过管壳的通过管壳的侧面接收入侧面接收入射光，射光，端窗式光电倍增端窗式光电倍增管通常使用半透明管通常使用半透明光电阴极，光电阴光电阴极，光电阴极材料沉积在入射极材料沉积在入射窗的内侧面窗的内侧面端窗式光电倍端窗式光电倍增管是通过管增管是通过管壳的端面接

14、收壳的端面接收入射光入射光 光电倍增管是在光电管的基础上研制出来的一种真空光光电倍增管是在光电管的基础上研制出来的一种真空光电器件，在结构上增加了电子光学系统和电子倍增极，因此电器件，在结构上增加了电子光学系统和电子倍增极，因此极大的提高了检测灵敏度。极大的提高了检测灵敏度。光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。(1).入射窗口入射窗口 a.窗口形式窗口形式光窗有侧窗光窗有侧窗和端窗两种和端窗两种(二二).).光电倍增管光电倍增管(PMT)1 1光电倍增管的结构

15、光电倍增管的结构侧侧窗窗端端窗窗 该管是一种超小型的该管是一种超小型的PMTPMT，适用于光谱学、电子显微镜、闪烁计数，适用于光谱学、电子显微镜、闪烁计数和高能物理研究等方面。和高能物理研究等方面。由于它采用了端窗式半透明锑钾铯（双碱）光电阴极和由于它采用了端窗式半透明锑钾铯（双碱）光电阴极和1010级直线静级直线静电聚焦式倍增系统及锑钾铯二次发射极，因而具有尺寸小、阳极灵敏度电聚焦式倍增系统及锑钾铯二次发射极，因而具有尺寸小、阳极灵敏度高、暗电流小、脉冲上升时间短等优点。高、暗电流小、脉冲上升时间短等优点。其主要技术指标为其主要技术指标为:(:()阴极灵敏度阴极灵敏度30A/l30A/l；(

16、)阳极灵敏度阳极灵敏度为为8080/l/l时，阳极电压典型时，阳极电压典型800800(最大最大10001000)，暗电流典型值，暗电流典型值5 5（最大（最大5050);();()光谱响应范围为光谱响应范围为300300650650。GDB-223 光窗材料对光的吸收与波长有关，波长越短吸光窗材料对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。窗材料。b.PMTb.PMT常用的窗口材料常用的窗口材料 硼硅玻璃硼硅玻璃:透射范围从透射范围从300nm到到HW 透紫外玻璃透紫外玻璃:紫外短波透射截止波长可延伸到紫外短波透射截止波长可延伸到185nm 熔融石英熔融石英（SiO2）:在远紫外区有相当好的透过率，短波在远紫外区有相当好的透过率，短波截止波长可达到截止波长可达到160nm 蓝宝石蓝宝石(A Al2O3晶体晶体):):紫外透过率处于熔融石英和透紫外玻紫外透过率处于熔融石英和透紫外玻璃之间，紫外截止波长可以达到璃之间，紫外截止波长可以达到150nm。MgF2:短波透射波长可到短波透射波长可到115nm P