《弱光信號檢測》PPT課件

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1、第二章光輻射探測器§2.2真空光電探測器§2.2.1光電子發(fā)射與光電陰極§2.2.2光電倍增管原理及結(jié)構(gòu)§2.2.3光電倍增管的基本特性§2.2.4光電倍增管的使用§2.2.1光電子發(fā)射與光電陰極基本規(guī)律：1）斯托列托夫定律(光電發(fā)射第—定律)發(fā)射的光電流與入射光強（或光通量）成正比IK=SKΦSK：靈敏度2）愛因斯坦定律(光電發(fā)射第二定律)光電子的最大動能與光強無關(guān)，隨入射光頻率的增加而線性增加光電子發(fā)射過程吸收光子光電子向表面運動克服表面勢壘逸出時間很短10-12s絕對零度時光電子逸出表面所需的最低能量光

2、電逸出功WΦ光電子發(fā)射——金屬的光電子發(fā)射金屬中自由電子的能量服從費米分布。T=0K時，能量最大的電子處在費米能級EF上，即E=EF。從金屬表面逸出的光電子所具有的動能為：△E：電子在向表面運動過程中的各種散射能量損失△E≥0△E=0，EA：表面勢壘光電子發(fā)射——金屬的光電子發(fā)射金屬逸出功T＞0K時，部分電子的能量比費米能級高δE曲線在＜υ0后有一拖尾（黃線）愛因斯坦定律只在T=0K時正確由于金屬中能量比費米能級高的電子很少，曲線在＜υ0后拖尾很小，因此一般認為愛因斯坦定律在室溫下成立。光電子發(fā)射——半導體的

3、光電子發(fā)射性能比較：金屬逸出功高，表面反射強，對光輻射的吸收率低，存在大量電子，散射能量損失半導體逸出功小，量子效率高，表面反射小，吸收系數(shù)大，表面、體內(nèi)光電效應(yīng)散射能量損失小體內(nèi)存在大量發(fā)射中心（價帶中有大的電子密度）現(xiàn)代光電陰極多采用半導體材料光電子發(fā)射——半導體的光電子發(fā)射吸收光子光電子向表面運動本征吸收雜質(zhì)吸收自由載流子吸收價帶上的電子雜質(zhì)能級上的電子自由電子20-30%1%微不足道與價帶上電子的碰撞，電離，產(chǎn)生二次電子空穴對，損失能量大，禁帶寬度Eg的2-3倍晶格散射，能量損失小，逸出深度大自由電子

4、散射忽略不計光電子發(fā)射——半導體的光電子發(fā)射克服表面勢壘逸出本征半導體雜質(zhì)半導體半導體光電逸出功由兩部分組成：重摻雜p型半導體重摻雜n型半導體電子從發(fā)射中心激發(fā)到導帶所需的最低能量電子從導帶底逸出表面所需的最低能量（即電子親和勢）§2.2.1光電子發(fā)射與光電陰極光電陰極①光吸收系數(shù)大；一個良好的光電發(fā)射材料應(yīng)具備下述條件：②光電子在體內(nèi)傳輸過程中能量損失小，使逸出深度大；③表面勢壘低（電子親和勢低），使表面逸出幾率大?！?.2.1光電子發(fā)射與光電陰極光電陰極光電陰極多是由化合物半導體材料制作對于金屬，上面三個

5、條件都不滿足。大多數(shù)金屬光電陰極的光譜響應(yīng)都在紫外或遠紫外區(qū)，只能適應(yīng)對紫外靈敏的光電器件。量子效率比金屬大得多、而光發(fā)射波長延伸至可見光和近紅外§2.2.1光電子發(fā)射與光電陰極光電陰極倍增管光譜特性的長波閾值決定于光電陰極材料，同時對整管靈敏度也起著決定性作用。負電子親和勢（NEA)可見、紅外均勻η高銻銫（CsSb)光譜窄，紅光、紅外不靈敏η20-30%鉍銀氧銫（Bi-Ag-O-Cs)光譜響應(yīng)人眼η10%多堿可見光均勻η25%銀氧銫（Ag-O-Cs)可見、紅外η<1%表征光電陰極的主要參數(shù)有：靈敏度、量子效

6、率、光譜響應(yīng)、暗電流§2.2.1光電子發(fā)射與光電陰極光電陰極銻化物光電陰極負電子親和勢光電陰極§2.2.2光電倍增管原理及結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu)加了二次倍增系統(tǒng)的光電管光電倍增管（PhotoMultiplierTube），簡稱PMT。它是一種真空光電器件，主要由光入射窗口、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、倍增極和陽極組成。光窗光窗分側(cè)窗式和端窗式兩種光電陰極結(jié)構(gòu)端窗式是通過端口端面接收入射光，它通常使用半透明光電陰極。側(cè)窗式是通過管殼側(cè)面接收入射光，它通常采用反射式陰極。光窗材料PMT的短波靈敏度和光譜響應(yīng)特性都受到窗口材

7、料的限制鈉鈣玻璃硼硅玻璃紫外玻璃熔凝石英氟鎂玻璃電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)主要有兩方面的作用：一是使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能匯聚到第一倍增極上，而將雜散熱電子散射掉，提高信噪比。二是使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學系統(tǒng)中渡越的時間盡可能相同，以保證PMT的快速響應(yīng)。二、工作原理KD光子透過入射窗口射在光電陰極上，光電陰極受激發(fā)，發(fā)射一次電子。然后經(jīng)電子光學系統(tǒng)聚焦射在第一倍增極上，激發(fā)出更多的二次電子。經(jīng)N級倍增極倍增，光電流就放大N次。二次電子由陽極收集，形成陽極電流。三、倍增極1.倍增極材料§2.2.

8、2光電倍增管原理及結(jié)構(gòu)PMT的倍增功能主要是由電子倍增極完成的，光電陰極發(fā)射出的一次電子轟擊倍增極，從而激發(fā)出數(shù)量更多的二次電子。不同材料發(fā)射二次電子的能力是不一樣的，為表征這種能力，我們定義二次電子發(fā)射系數(shù)δ二次電子發(fā)射過程：§2.2.2光電倍增管原理及結(jié)構(gòu)光電性能良好的材料也是良好的二次發(fā)射體①材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài)，這些被激電子稱為內(nèi)二次電子②部分內(nèi)二次電子向表面運動，在