光电倍增管特性参数的测试

1. 光电倍增管特性参数的测试

2. ZY-931A型光电倍增管直径1-1/8英寸、九级倍增、侧窗型光电倍增管，硼硅玻壳、锑铯光阴极、300～650nm（S-4)谱响应，采用特殊设计的抗滞后结构，具有极好的输出稳定性。 ZY-931A型光电倍增管直径1-1/8英寸、九级倍增、侧窗型光电倍增管，硼硅玻壳、锑铯光阴极、300～650nm（S-4)谱响应，采用特殊设计的抗滞后结构，具有极好的输出稳定性。  • 光电倍管应用于分光光度计、色度计、尘埃计、热释光剂量仪、照度计、辐射量热计、扫描电镜、浊度计、尘埃粒子计数器、生化分析仪、X-射线照相机定时器、光密度计、光学特性辨认、复写设备等。

3. 1、光电阴极 • 2、光电倍增管的工作原理 • 3、光电倍增管的主要特性参数 • 4、光电倍增管的供电和信号输出电路

4. 1、光电阴极 • 1.1 光阴极材料及其光谱响应 • 光阴极光谱响应的截止波长λc由下式决定， 即 • 式中Eφ是光阴极材料的功函数。 该式仅仅说明了理想情况下光阴极材料能否产生光电子发射的条件， 至于发射效应本身是否有效， 该式无法说明。

5. 实际上，光电子从光阴极内部逸出表面经过三个过程： • (1) 光阴极内部电子吸收光子能量，被激发到真空能级以上的高能量状态； • (2) 这些高能量的光电子在向表面运动的过程中，受到其它电子碰撞、散射而失去一部分能量； • (3) 光电子到达表面时还要克服表面势垒才能最后逸出。

6. 一个良好的光阴极应该满足三个条件： • (1)光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大； • (2)光电子在向表面运动中受到的能量散射损耗小； • (3)光阴极表面势垒低，电子逸出概率大。

7. 许多金属和半导体材料虽然都能产生光电效应，但依据上述原则，金属和半导体材料相比光电发射效率要低得多，因而光阴极通常都采用半导体材料。半导体材料光阴极又分为正电子亲和势(亦称经典光阴极)和负电子亲和势(NEA阴极)两种类型。 NEA光阴极是当前性能最好的光阴极。为了有一个明确的物理概念，结合图2来说明两种光阴极类型之间的主要差别。

8. 图 1 典型光阴极能级示意图 (a) 金属(b) 理想半导体(c) 正电子亲和势(d) 负电子亲和势

9. 对于金属情况，见图1(a)。金属内的“冷”电子(即光电子)发射来源于费米能级EF附近。光电发射阈值定义为电子真空能级E0与EF之差， 即 • Eφ=E0-EF • 对半导体材料，见图(b)，半导体内“冷”电子发射来源于价带EV附近，因此表面处的Eφ为 • Eφ=EA+Eg • 式中Eg为禁带宽度，EA为E0和导带EC之差， 称为电子亲和势。

10. 由半导体物理可知，实际的半导体能级在半导体表面附近要发生弯曲，见图1(c)。 这时EA定义为E0与表面处导带底EC之差。 考虑到导带在表面处的弯曲量用ΔE表示， 于是体内光电子的有效电子亲合势变为 • EAe=EA-ΔE • 通常所说的电子亲合势就指的是EAe，这样， 半导体材料的光电发射阈值变为 • Eφ=Eg+EAe

11. 1.2 银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极 • 银氧铯阴极是最早出现的实用光电阴极。 目前，除了Ⅲ-Ⅴ族材料的光电阴极外，它仍然是在近红外区具有使用价值的惟一光电阴极。

12. 银氧铯阴极是以Ag为基底， 氧化银为中间层， 上面再有一层带有过剩Cs原子及Ag原子的氧化铯， 而表面由Cs原子组成， 可用［Ag］-Cs2OAgCs-Cs的符号表示， 如图2(a)所示。 有一些光电器件也有不用氧化而用硫化， 或以碱金属代替铯原子， 其目的都是希望得到高的响应度及合适的光谱响应范围。

13. 图 2 银氧铯光电阴极 (a) 结构； (b) 光谱相应曲线

14. Ag-O-Cs光电阴极的光谱响应曲线如图2(b)所示。 它的长波灵敏度延伸至红外1.2 μm， 并且有两个峰值， 近红外800 nm处有一主峰，另一主峰处于紫外350 nm。 Ag-O-Cs光电阴极的灵敏度较低, 其光照灵敏度约为30 μA/lm， 辐照灵敏度为 3mA/W， 量子效率在峰值波长处也只有1%； 它的热电子发射密度在室温下超过任何其它实用阴极， 约为10-11~10-14 A/cm2。

15. 1.3 单碱锑化物光电阴极 • 金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，都能形成具有稳定光电发射的发射体 LiSb、 NaSb、KSb、RbSb和CsSb等。其中， 以CsSb阴极的灵敏度为最高， 是最有实用价值的光电发射材料，广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。 • 锑铯阴极的典型光谱响应曲线如图3所示。

16. 图 3 锑化物光电阴极光谱响应曲线

17. 1. 4多碱锑化物光电阴极 • 当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应度，其中有双碱、三碱和四碱等，统称为多碱锑化物光电阴极。 • 锑钾钠(NaKSb)阴极是双碱阴极中的一种， 它的光谱响应与锑铯阴极相近，在峰值波长0.4μm处的量子效率达25％，其典型光照灵敏度可达50μA/lm。

18. 1.5 紫外光电阴极 • 一般来说，对可见光灵敏的光电阴极，对紫外光也都具有较高的量子效率。但在某些应用中，为了消除背景辐射的影响，要求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。 • 目前比较实用的“日盲”型光电阴极有碲化铯(CsTe)和碘化铯(CsI)两种。CsTe阴极的长波限为0.32μm，而CsI阴极的长波限为0.2 μm。

19. 1.6 负电子亲和势光电阴极 • 前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲和势(PEA)类型，其表面的真空能级位于导带之上。但如果给半导体的表面作特殊处理, 使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，则经这种特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极(NEA)。

20. 现以Si-Cs2O光电阴极为例加以说明。 它是在P型Si的基质材料上涂一层极薄的金属Cs，经特殊处理而形成N型Cs2O。表面为N型的材料有丰富的自由电子，基底为P型材料有丰富的空穴，它们相互扩散形成表面电荷局部耗尽。与PN结情况类似，耗尽区的电位下降Ed，造成能带弯曲，如图4(b)所示。图4(a)分别表示P型Si和N型Cs2O两种材料的能带图。

21. 图 4 负电子亲和势材料表面能带弯曲图

22. 本来P型Si的发射阈值是Ed1=EA1+Eg1，电子受光激发进入导带后需克服亲和势EA1才能逸出表面。现在由于表面存在N型薄层， 使耗尽区的电位下降，表面电位降低Ed。 光电子在表面附近受到耗尽区内建电场的作用，从Si的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EA2就能逸出表面。对于P型Si的光电子需克服的有效亲和势为 • EAe=EA2-Ed

23. 负电子亲和势光电阴极与前述的正电子亲和势光电阴极相比， 具有以下特点： • (1)量子效率高：负电子亲和势阴极因其表面无表面势垒，所以受激电子跃迁到导带并迁移到表面后，无需克服表面势垒就可以较容易地逸出表面。 • (2)光谱响应延伸到红外、光谱响应度均匀： 正电子亲和势光电阴极的阈值波长为

24. 而负电子亲和势光电阴极的阈值波长为

25. (3)热电子发射小：与光谱响应范围类似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一般比较宽，所以在没有强电场作用的情况下，热电子发射较小，一般只有10-16 A/cm2。 • (4)光电子的能量集中：当负电子亲和势光电阴极受光照时，价带中的电子受激发而跃迁至导带，此光激发电子在导带内很快热化(约10-12 s)，落入导带底(寿命达10-9 s)，热化电子很容易扩散到达能带弯曲的表面，然后发射出去，所以其光电子能量基本上都等于导带底的能量。

26. 图 5 负电子亲和势材料的光谱响应曲线

27. 2、光电倍增管的工作原理 图 6 光电倍增管结构原理图

28. K是光电阴极、 D为聚焦极 D1～D10为倍增极，每一级电压约80～150V、 A为收集电子的阳极

29. K是光电阴极，受光照射时发射电子，D为聚焦极，它与阴极共同形成电子光学聚焦系统，将光电阴极发射的电子会聚成束并通过膜孔射向第一倍增极D1，D1～D10为倍增极，所加电压逐级增加。每一级约80～150V，A为收集电子的阳极。K是光电阴极，受光照射时发射电子，D为聚焦极，它与阴极共同形成电子光学聚焦系统，将光电阴极发射的电子会聚成束并通过膜孔射向第一倍增极D1，D1～D10为倍增极，所加电压逐级增加。每一级约80～150V，A为收集电子的阳极。 这些电极封装在真空管内，光电阴极附近制作光入射窗口。在高速初电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子，这些电子在电场的作用下，又射向第二倍增极，又引起第二倍增极更多的二次电子发射……，此过程一直继续D10。最后经倍增的电子被阳极A收集而输出电流，在负载RL上产生信号电压。

30. 2.1 入射窗口和光电阴极结构 • 2.1.1入射窗口 (a)侧窗式 (b)端窗式

31. 2.1.2常用窗口材料 • (1)硼硅玻璃 • (2)透紫外玻璃 • (3)蓝宝石 • (4)MgF2 • 2.1.3光电阴极结构 • (1)反射式 • (2)透射式

32. 2.2 电子光学系统 • 电子光学系统的作用： • 光电阴极发射的光电子尽可能会聚到第一倍增极，将其它杂散的热电子散射掉，提高收集率。 • 使光电阴极面上各处发射的光电子尽可能具有相同的渡越时间，保证光电倍增的快速响应。

33. 2.3 电子倍增极 • 2.3.1二次电子发射 • 某些金属、 金属氧化物及半导体， 如银、 金、 锑化铯、 氧化铍以及GaP-Cs、 GaAs-Cs2O负电子亲和势材料等， 其表面受到高速电子轰击后能重新发射出更多的电子来， 这种现象叫二次电子发射。 光电倍增管就是利用各倍增极每一个入射电子所能产生的二次电子发射效应获得很高的电流内增益的。 二次电子的发射特性用二次发射系数σ来描述， 即

34. 实际上，二次电子发射经过三个过程： • (1) 光电倍增极内部电子吸收一次能量，被激发到高能量状态，被称为二次电子； • (2) 这些高能量的二次电子在向表面运动的过程中，受到其它电子碰撞、 散射而失去一部分能量； • (3)高能量的二次电子到达表面时仍具有克服表面势垒的能量才能最后逸出成为二次电子。

35. 2.3.2 倍增极结构 图 7 电子倍增极的典型结构---鼠笼式

36. 图 8 电子倍增极的典型结构---盒栅式

37. 图 8 电子倍增极的典型结构---直线聚焦式

38. 图 10 电子倍增极的典型结构 百叶窗式 近贴栅网式

39. 图 11 电子倍增极的典型结构----MCP

40. 2.4 阳极 • 阳极的作用：接收末倍增极发射的二次电子，通过引线向外输出电流。 • 阳极通常采用栅网状结构。

41. 3、光电倍增管的主要特性参数 • 3.1 灵敏度 • 3.1.1阴极灵敏度SK • 定义：光电阴极的饱和光电流Ik除以入射到阴极的光通量Φ所得的商 • 阴极光照灵敏度只与光电阴极的材料和光电倍增管的结构有关。

42. 3.1.2阳极灵敏度 • 阳极光照灵敏度是指光电倍增管在一定工作电压下，阳极输出光电流与入射到阴极的光通量的比值： • 阳极光照灵敏度除与光电阴极的材料和光电倍增管的结构有关外，还与工作电压有关。而且公式中的要保证光电倍增管处于正常的线性工作状态，若在饱和状态，光通量变化时电流并不改变，测得的灵敏度就没有意义。因此测量时所用光通量比测阴极灵敏度时要小很多。

43. 3.2放大倍数（增益） • 放大倍数M(电流增益)定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流与阴极电流IK间的比值。 • n为倍增极的级数，σ表示倍增极的二次电子发射系数，即倍增极电流增益，f电子光学系统的收集率，σ倍增极的收集率。

44. 如果令 σ=cVk， 则M=A·Vkn， 于是有 • 如果测量精度1%，所加电压稳定度应为0.1%

45. 3.3 暗电流 • 3.3.1暗电流的组成 （1）热电子发射 • 光阴极的热电子发射产生暗电流， 暗电流的大小由理查逊(Richardson)方程决定：

46. （2）极间漏电流 • 光电倍增管内支撑电极的绝缘体（陶瓷片、玻璃件和芯柱）在高压下的欧姆漏电。 • （3）残余气体的离子发射 • （4）玻璃闪烁 • （5）场致发射

47. 3.3.2 减少暗电流的方法 • （1）直流补偿

48. （2）选频和锁相放大 • 将入射光调制成一定频率的周期信号，在光电倍增管输出回路加一选频放大器，以滤掉暗电流直流分量。 • 用锁相放大器替代选频放大，输出信号信噪比会有很大提高。

49. （3）致冷 热电子发射是暗电流的主要成分，降低温度可以使光电阴极和倍增极热电子发射大大减少，使暗电流减小。

50. 3.4噪声特性 • 3.4.1散粒噪声 • 光电流iK • 散粒噪声为 ins2=［2eM2F(iT+iK)Δf］