《弱光信号检测》PPT课件

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1、第二章光辐射探测器§2.2真空光电探测器§2.2.1光电子发射与光电阴极§2.2.2光电倍增管原理及结构§2.2.3光电倍增管的基本特性§2.2.4光电倍增管的使用§2.2.1光电子发射与光电阴极基本规律：1）斯托列托夫定律(光电发射第—定律)发射的光电流与入射光强（或光通量）成正比IK=SKΦSK：灵敏度2）爱因斯坦定律(光电发射第二定律)光电子的最大动能与光强无关，随入射光频率的增加而线性增加光电子发射过程吸收光子光电子向表面运动克服表面势垒逸出时间很短10-12s绝对零度时光电子逸出表面所需的最低能量光

2、电逸出功WΦ光电子发射——金属的光电子发射金属中自由电子的能量服从费米分布。T=0K时，能量最大的电子处在费米能级EF上，即E=EF。从金属表面逸出的光电子所具有的动能为：△E：电子在向表面运动过程中的各种散射能量损失△E≥0△E=0，EA：表面势垒光电子发射——金属的光电子发射金属逸出功T＞0K时，部分电子的能量比费米能级高δE曲线在＜υ0后有一拖尾（黄线）爱因斯坦定律只在T=0K时正确由于金属中能量比费米能级高的电子很少，曲线在＜υ0后拖尾很小，因此一般认为爱因斯坦定律在室温下成立。光电子发射——半导体的

3、光电子发射性能比较：金属逸出功高，表面反射强，对光辐射的吸收率低，存在大量电子，散射能量损失半导体逸出功小，量子效率高，表面反射小，吸收系数大，表面、体内光电效应散射能量损失小体内存在大量发射中心（价带中有大的电子密度）现代光电阴极多采用半导体材料光电子发射——半导体的光电子发射吸收光子光电子向表面运动本征吸收杂质吸收自由载流子吸收价带上的电子杂质能级上的电子自由电子20-30%1%微不足道与价带上电子的碰撞，电离，产生二次电子空穴对，损失能量大，禁带宽度Eg的2-3倍晶格散射，能量损失小，逸出深度大自由电子

4、散射忽略不计光电子发射——半导体的光电子发射克服表面势垒逸出本征半导体杂质半导体半导体光电逸出功由两部分组成：重掺杂p型半导体重掺杂n型半导体电子从发射中心激发到导带所需的最低能量电子从导带底逸出表面所需的最低能量（即电子亲和势）§2.2.1光电子发射与光电阴极光电阴极①光吸收系数大；一个良好的光电发射材料应具备下述条件：②光电子在体内传输过程中能量损失小，使逸出深度大；③表面势垒低（电子亲和势低），使表面逸出几率大。§2.2.1光电子发射与光电阴极光电阴极光电阴极多是由化合物半导体材料制作对于金属，上面三个

5、条件都不满足。大多数金属光电阴极的光谱响应都在紫外或远紫外区，只能适应对紫外灵敏的光电器件。量子效率比金属大得多、而光发射波长延伸至可见光和近红外§2.2.1光电子发射与光电阴极光电阴极倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。负电子亲和势（NEA)可见、红外均匀η高锑铯（CsSb)光谱窄，红光、红外不灵敏η20-30%铋银氧铯（Bi-Ag-O-Cs)光谱响应人眼η10%多碱可见光均匀η25%银氧铯（Ag-O-Cs)可见、红外η<1%表征光电阴极的主要参数有：灵敏度、量子效

6、率、光谱响应、暗电流§2.2.1光电子发射与光电阴极光电阴极锑化物光电阴极负电子亲和势光电阴极§2.2.2光电倍增管原理及结构一、基本结构加了二次倍增系统的光电管光电倍增管（PhotoMultiplierTube），简称PMT。它是一种真空光电器件，主要由光入射窗口、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成。光窗光窗分侧窗式和端窗式两种光电阴极结构端窗式是通过端口端面接收入射光，它通常使用半透明光电阴极。侧窗式是通过管壳侧面接收入射光，它通常采用反射式阴极。光窗材料PMT的短波灵敏度和光谱响应特性都受到窗口材

7、料的限制钠钙玻璃硼硅玻璃紫外玻璃熔凝石英氟镁玻璃电子光学系统电子光学系统主要有两方面的作用：一是使光电阴极发射的光电子尽可能汇聚到第一倍增极上，而将杂散热电子散射掉，提高信噪比。二是使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越的时间尽可能相同，以保证PMT的快速响应。二、工作原理KD光子透过入射窗口射在光电阴极上，光电阴极受激发，发射一次电子。然后经电子光学系统聚焦射在第一倍增极上，激发出更多的二次电子。经N级倍增极倍增，光电流就放大N次。二次电子由阳极收集，形成阳极电流。三、倍增极1.倍增极材料§2.2.

8、2光电倍增管原理及结构PMT的倍增功能主要是由电子倍增极完成的，光电阴极发射出的一次电子轰击倍增极，从而激发出数量更多的二次电子。不同材料发射二次电子的能力是不一样的，为表征这种能力，我们定义二次电子发射系数δ二次电子发射过程：§2.2.2光电倍增管原理及结构光电性能良好的材料也是良好的二次发射体①材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些被激电子称为内二次电子②部分内二次电子向表面运动，在