第5章光電子發射探測器Photoemissivedetector,簡稱PE探測器－－也稱為真空光電器件光電發射器件是基于外光電效應的器件，它包括真空光電二極管、光電倍增管、變像管、像增強管和真空電子束攝像管。7/23/20231光電倍增管講解光電管：光電倍增管：被半導體光電器件取代極高靈敏度～106快速響應～pS應用：微弱光信號、快速脈沖弱光信號－－也稱為真空光電器件第5章光電子發射探測器Photoemissivedetector,簡稱PE探測器缺點：結構復雜工作電壓高體積龐大優點：靈敏度高穩定性好響應速度快噪聲小7/23/20232光電倍增管講解具有外光電效應的材料－－光電子發射體光電子發射探測器中的光電子發射體－－又稱為光電陰極

光電陰極是完成光電轉換的重要部件，其性能好壞直接影響整個光電發射器件的性能?。。〉?章光電子發射探測器7/23/20233光電倍增管講解5.1光電陰極5.2光電管和光電倍增管結構原理5.3光電倍增管的主要特性參數5.4光電倍增管的工作電路第5章光電子發射探測器7/23/20234光電倍增管講解5.1光電陰極良好的光電發射材料具備的條件：a光的吸收系數大b光電子在體內傳輸過程中受到的能量損失小c表面勢壘低，表面逸出幾率大7/23/20235光電倍增管講解常用的光電陰極材料反射系數大、吸收系數小、碰撞損失能量大、逸出功大－－適應對紫外靈敏的光電探測器。光吸收系數大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多－－光譜響應：可見光和近紅外波段。金屬：半導體：常規光電陰極負電子親和勢陰極半導體材料廣泛用作光電陰極7/23/20236光電倍增管講解（1）、銀氧銫(Ag-O-Cs)光電陰極1、常規光電陰極峰值波長：350nm,800nm光譜響應范圍約300-1000nm；量子效率約0.5％；使用溫度100°C；暗電流大。最早的光電陰極，主要應用于近紅外探測7/23/20237光電倍增管講解（2）單堿銻化物：金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫中的一種化合，能形成具有穩定光電發射的發射體。最常用的是銻化銫（CsSb），其陰極靈敏度最高，量子效率為15－25％，藍光區量子效率高達30%，長波限為：600nm。廣泛用于紫外和可見光區的光電探測器中。光譜響應范圍較窄對紅光＆紅外不靈敏CsSb陰極最為常用，紫外和可見光區的靈敏度最高（3）多堿銻化物：Sb－Na－K－Cs最實用的光電陰極材料，高靈敏度、寬光譜，紅外端延伸930nm，用于寬帶光譜測量儀，擴展到近紅外。7/23/20238光電倍增管講解（4）紫外光電陰極光電陰極只對所探測的紫外輻射信號靈敏，而對可見光無響應，這種陰極通常稱為“日盲”型光電陰極?！叭彰ぁ毙凸怆婈帢O實用的兩種：碲化銫(CsTe)－－長波限為0.32μm碘化銫(Csl)－－長波限為0.2μm。響應范圍(100—280nm)7/23/20239光電倍增管講解2.負電子親和勢陰極負電子親和勢材料結構、原理重摻雜的P型硅表面涂極薄的金屬Cs，經過處理形成N型的Cs2O。以Si-Cs2O光電陰極為例7/23/202310光電倍增管講解P型Si的電子親和勢:N型Cs2O電子親和勢:EA1=E0-EC1>0EA2=E0-EC2>07/23/202311光電倍增管講解體內：P型表面：N型從Si的導帶底部漂移到表面Cs2O的導帶底部。此時，電子只需克服EAe就能逸出表面。對于P型Si的光電子需克服的有效親和勢為EAe=EA2-Ed由于能級彎曲，使Ed>EA2,這樣就形成了負電子親和勢。7/23/202312光電倍增管講解體內：P型表面：N型負電子親和勢(體內襯底材料的有效電子親和勢)是負的經典發射體的電子親和勢仍是正的EA1=E0-EC1>0EA2=E0-EC2>0EAe=E0-EC1<07/23/202313光電倍增管講解NEA的最大優點：

－－量子效率比常規發射體高得多

光電發射過程分析：熱電子－－受激電子能量超過導帶底的電子冷電子－－能量恰好等于導帶底的電子NEA量子效率比常規發射體高得多！7/23/202314光電倍增管講解NEA的優點：量子效率比常規發射體高得多

1、量子效率高2、閾值波長延伸到紅外區3、由于“冷”電子發射，能量分散小，在成象器件中分辨率極高4、暗電流極小5、延伸的光譜區內其靈敏度均勻式（5－2）與式（1－65）對比7/23/202315光電倍增管講解1、結構真空光電管構造示意圖

真空光電管由玻殼、光電陰極和陽極三部分組成

5.2光電管和光電倍增管的結構原理5.2.1光電管7/23/202316光電倍增管講解充氣型光電管：光電管的特點：光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達20～200μA/lm；暗電流小，最低可達10-14A；光電發射弛豫過程極短。

缺點：真空光電管一般體積都比較大、工作電壓高達百伏到數百伏、玻殼容易破碎等

7/23/202317光電倍增管講解PhotomultiplierTube簡稱PMT1.基本結構5.2.2光電倍增管電子光學系統7/23/202318光電倍增管講解1）.入射光窗

(a)側窗式(b)端窗式1）光入射通道2）短波閾值作用：1.基本結構7/23/202319光電倍增管講解硼硅玻璃（無鉀玻璃）

常用的玻璃材料，可以透過從近紅外至300nm的入射光，不適合于紫外區的探測。透紫玻璃（UV玻璃）

很好地透過紫外光，和硼硅玻璃一樣被廣泛使用。分光應用領域一般都要求用透紫玻璃，其截止波長可接近185nm。

窗口材料合成石英

紫外光波長延伸至160nm氟化鎂（鎂氟化物）極好的紫外線透過性，接近115nm，藍寶石紫外光波長延伸至150nm

7/23/202320光電倍增管講解2）光電陰極作用:1)光電轉換能力2)長波波長閾值3)決定整管靈敏度7/23/202321光電倍增管講解3）電子光學系統

作用:1）收集率接近于12）渡越時間零散最小7/23/202322光電倍增管講解4）.電子倍增極

－－由許多倍增極組成，決定整管靈敏度最關鍵部分作用－－倍增10-15級倍增極7/23/202323光電倍增管講解4）.電子倍增極

1）二次電子發射材料一次電子二次電子二次電子發射系數：（1）二次電子發射7/23/202324光電倍增管講解二次電子發射系數：二次發射系數與一次電子能量關系增大Ep，δ值反而下降不同材料δmax

金屬：0.5～1.8半導體和介質：5～6負電子親和勢材料：500~δ隨Ep增大而增大Epmax約為100～1800eV7/23/202325光電倍增管講解內增益極高－－倍增原理（1）二次電子發射入射光照射到光電陰極K上，發射光電子，經電子光學系統加速，聚焦到倍增極上，發射出多個二次電子；電子經n級倍增極，形成放大的陽極電流，在負載RL上產生放大的信號輸出。7/23/202326光電倍增管講解4）.電子倍增極

（2）實用的倍增極材料靈敏的光電發射體，也是良好的二次電子發射體a復雜的半導體型：銻銫和銻銫鉀等堿金屬化合物化合物，

b氧化物型，主要是氧化鎂。

c合金型，主要是銀鎂、鋁鎂、銅鎂等合金。

d負電子親合勢發射體。7/23/202327光電倍增管講解（3）倍增極結構光電倍增管中的倍增極一般由幾級到十五級組成，光電倍增管按倍增極結構可分為聚焦型與非聚焦型兩種。非聚焦型光電倍增管有百葉窗型（圖a）與盒柵式（圖b）兩種結構；聚焦型有瓦片靜電聚焦型（圖c）和圓瓦片式（圖d）兩種結構。

7/23/202328光電倍增管講解倍增極結構形式特點聚焦型直瓦片式極間電子渡越時間零散小，但絕緣支架可能積累電荷而影響電子光學系統的穩定性。圓瓦片式結構緊湊，體積小，但靈敏度的均勻性差些。非聚焦型百葉窗式工作面積大，與大面積光電陰極配合可制成探測弱光的倍增管，但極間電壓高時，有的電子可能越級穿過，收集率較低，渡越時間零散較大。盒柵式收集率較高（可達95%），結構緊湊，但極間電子渡越時間零散較大。（3）倍增極結構7/23/202329光電倍增管講解5）．陽極作用：－－收集最末一級倍增極發射出來的二次電子，向外電路輸出電流。結構：－－具有較高電子收集率，能承受較大電流密度，在陽極附近空間不產生空間電荷效應。陽極廣泛采用柵網狀結構。7/23/202330光電倍增管講解2.工作原理1）.光子透過入射窗口入射在光電陰極上;2).光電陰極上的電子受光子激發，離開表面發射到真空中;3).光電子通過電場加速和電子光學系統聚焦入射到第一倍增級上，倍增級將發射出比入射電子數目更多的二次電子。入射電子經N級倍增極倍增后，光電子就放大N次；4).經過倍增后的二次電子由陽極收集，形成陽極光電流。7/23/202331光電倍增管講解3、光電倍增管分類1.按進光方式：A側窗式B端窗式；7/23/202332光電倍增管講解2.電極工作方式：A透射式B反射式；3.倍增極數目：

A單極B多極；4.倍增極系統結構：

A盒狀B圓籠式C百葉窗式D直線瓦片式5.光電陰極材料：CsSb、Ag-O-Cs、多堿3、光電倍增管分類7/23/202333光電倍增管講解5.3光電倍增管的主要特性參數1．靈敏度

2．電流增益3．光電特性4．光譜特性5．伏安特性6．時間特性7．暗電流8．疲勞特性9．噪聲7/23/202334光電倍增管講解1．靈敏度光電倍增管的靈敏度：單位：陰極靈敏度－－μA/lm或μA/W陽極靈敏度－－A/lm或A/W靈敏度是衡量光電倍增管探測光信號能力的一個重要參數。7/23/202335光電倍增管講解1）陰極靈敏度測試圖照射到光電陰極上的光通量約為10-5～10-2lm－100V～－300V0V7/23/202336光電倍增管講解2）陽極光照靈敏度測試GVEA10-10~10-6lm各倍增極和陽極都加上適當電壓；注明整管所加的電壓7/23/202337光電倍增管講解2．電流增益陽極電流與陰極電流之比稱為電流增益M（內增益）

例如：δ=4，n=10，M~106－－光電增益M>>1例如，n＝9～12，測量精度1%電源電壓穩定度0.1%。7/23/202338光電倍增管講解3、光電特性陽極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數關系，稱為倍增管的光電特性。

7/23/202339光電倍增管講解4．光譜特性（圖5－9和5－10

）近紅外遠紫外可見光短波限－－窗口材料限制

長波限－－陰極材料限制

7/23/202340光電倍增管講解5．伏安特性陰極伏安特性陽極伏安特性：光電二極管伏安特性：恒流源－－計算和分析方法相同陽極伏安特性：光電二極管伏安特性：7/23/202341光電倍增管講解5．伏安特性陰極伏安特性陽極伏安特性：交流微變等效電路恒流源－－計算和分析方法相同7/23/202342光電倍增管講解6．時間特性器件時間特性(單位：ns)結構上升時間渡越時間渡越時間散差直線聚焦型0.7～31.3～50.37～1.1環形聚焦型3.4313.6盒柵型～757～70～10百葉窗型～760～10外電路時間特性7/23/202343光電倍增管講解6．時間特性當電路時間常數較大，倍增管的上限截止頻率：倍增管的響應時間輸出電路的時間常數7/23/202344光電倍增管講解7暗電流光電倍增管的暗電流是指在施加規定的電壓后，在無光照情況下測定的陽極電流。光電倍增管的暗電流值在正常應用的情況下是很小的，一般為~nA，是所有光電探測器件中暗電流最低的器件。

暗電流的來源：①光電陰極和和靠近陰極的倍增極的熱電子發射，是PMT暗電流的主要成分—降低PMT的工作溫度②光電倍增管的極間漏電流-歐姆漏電---清潔干燥③場致發射降低工作電壓殘余氣體放電離子和光的反饋9、噪聲8、疲勞特性7/23/202345光電倍增管講解部分光電倍增管特性7/23/202346光電倍增管講解5.4光電倍增管的工作電路－－是保證其正常工作的必要條件，在常用的光探測器件中，其工作電路是最為復雜的。工作電路：高壓供電電路信號輸出電路分壓電阻的確定并聯電容的確定高壓電源接地方式7/23/202347光電倍增管講解高壓供電電路－－分壓電阻的確定總電壓UAK在1000～1500V之間，倍增極極間電壓UD在80～100V之間－－可以確定分壓電阻IRIAmax7/23/202348光電倍增管講解高壓供電電路－－分壓電阻的確定實例：說明：i.第一級對陰極電流形成影響最大,高出20~30Vii.中間級均勻分配iii.最后一級,要高,克服空間電荷區的影響.7/23/202349光電倍增管講解高壓供電電路－－并聯電容的確定

探測光脈沖，最后幾級脈沖電流很大，極間電壓不穩－－最后幾級并聯旁路電容C1、C2、C3。7/23/202350光電倍增管講解高壓供電電路－－高壓電源

專用電源：電壓波動在0.05％以內7/23/202351光電倍增管講解高壓供電電路－－接地方式

缺點：陰極負高壓，屏蔽困難，暗電流和噪聲大。優點：屏蔽罩靠近陰極，效果好；暗電流小，噪聲低陽極接地（負高壓接法）陰極接地(正高壓接法)優點：便于與后面放大器相連，操作安全缺點：高壓不利于安全操作；接耐壓很高的隔直電容器。7/23/202352光電倍增管講解信號輸出電路

－－交流微變等效電路電流源利用伏安特性：負載電阻設計輸出電流輸出電壓等計算7/23/202353光電倍增管講解信號輸出電路

－－用負載電阻實現I/V轉換：較大的負載電阻1.頻率響應變差2.飽和引起非線性

負載電阻太大，陽極電壓降低－－飽和引起非線性

7/23/202354光電倍增管講解信號輸出電路

－－用負載電阻實現I/V轉換：用運算放大器實現I/V轉換：1.良好的線性2.良好頻率響應特性3.轉換效率高較大的負載電阻1.頻率響應變差2.飽和引起非線性

7/23/202355光電倍增管講解

1)使用前應了解器件的特性。真空光電器件的共同特點是靈敏度高、響應快、供電電壓高、采用玻璃外殼、抗震性差。

2)使用時不宜用強光照。光照過強時，光電線性會變差而且容易使光電陰極疲勞（輕度疲勞經一段時間可恢復，重度疲勞不能恢復），縮短壽命。

3)工作電流不宜過大。工作電流大時會燒毀陰極面，或使倍增級二次電子發射系數下降，增益降低，光電線性變差，縮短壽命。

4)用來測量交變光時，負載電阻不宜很大，因為負載電阻和管子的等效電容一起構成電路的時間常數，若負載電阻較大，時間常數就變大，頻帶將變窄。用運算放大器作倍增管輸出的電流-電壓轉換，可以獲得較好的頻率響應和線性。使用注意事項7/23/202356光電倍增管講解光電倍增管應用舉例超高速碰撞閃光光電倍增管測量系統7/23/202357光電倍增管講解光電倍增管應用舉例碰撞閃光的光電信號隨時間變化曲線峰前部分－－碰撞物的速度和碰撞角度、尺寸、密度和組成峰后部分－－碰撞產生的熱羽黑體輻射衰減信號強度峰值－－持續時間間隔～彈丸參數黑體衰減－－持續時間長短～靶板參數。7/23/202358光電倍增管講解光電倍增管應用舉例閃爍計數器：閃爍晶體（NaI）+光電倍增管

7/23/202359光電倍增管講解光電倍增管應用舉例閃爍計數器：閃爍晶體（NaI）

+光電倍增管PET系統注入放射性物質，放射正電子，同周圍的電子結合淬滅，射出511kev的γ射線,由探測器接收，可確定體內淬滅電子位置，得到CT像。7/23/202360光電倍增管講解光電倍增管應用舉例濱松生產的高通量（high-throughput）PET系統7/23/202361光電倍增管講解光電倍增管應用舉例

PET掃描圖像顯示了許多疾病的早期征兆

7/23/202362光電倍增管講解7/23/202363光電倍增管講解7/23/202364光電倍增管講解7/23/202365光電倍增管講解本章小結：1．光電子發射探測器是利用外光電效應制成的器件。光電倍增管：高靈敏度、高響應速度。2．光電陰極：常規光電陰極和負電子親和勢陰極。3．光電倍增管主要參數。噪聲：陰極電流散粒噪聲和各級倍增極的散粒噪聲。4．光電倍增管工作電路：高壓供電電路和信號輸出電路。7/23/202366光電倍增管講解6光電倍增管的應用1.紫外/可見/近紅外分光光度計

光通過物質時使物質的電子狀態發生變化，而失去部分能量，稱為吸收。利用吸收進行定量分析。為確定樣品物質的量，采用連續的光譜對物質進行掃描，并利用光電倍增管檢測光通過被測物質前后的強度，即可得到被測物質吸收程度，計算出物質的量。

一、光譜測量7/23/202367光電倍增管講解2.原子吸收分光光度計

廣泛地應用于微量金屬元素的分析。對應于分析的各種元素，需要專用的元素燈，照射燃燒并霧化分離成原子狀態到被測物質上，用光電倍增管檢測光被吸收的強度，并與預先得到的標準樣品比較。

7/23/202368光電倍增管講解二、極微弱光信號的探測—光子計數現在的光子計數系統，可探測到每秒10-12個光子水平的極微弱光，這種光子計數系統已用于生命科學研究中的細胞分類分析，它先用熒光物質對細胞進行標記，然后根據這些細胞發出的不同的熒光進行分析，可以分離和捕集不同的細胞。也要求光子計數系統的探測器有足夠高的量子效率和很低的噪聲。7/23/202369光電倍增管講解

1)使用前應了解器件的特性。真空光電器件的共同特點是靈敏度高、響應快、供電電壓高、采用玻璃外殼、抗震性差。

2)使用時不宜用強光照。光照過強時，光電線性會變差而且容易使光電陰極疲勞（輕度疲勞經一段時間可恢復，重度疲勞不能恢復），縮短壽命。

3)工作電流不宜過大。工作電流大時會燒毀陰極面，或使倍增級二次電子發射系數下降，增益降低，光電線性變差，縮短壽命。

4)用來測量交變光時，負載電阻不宜很大，因為負載電阻和管子的等效電容一起構成電路的時間常數，若負載電阻較大，時間常數就變大，頻帶將變窄。使用注意事項7/23/202370光電倍增管講解7/23/202371光電倍增管講解二、利用發光原理１.發光分光光度計

樣品接受外部照射光的能量會產生發光，利用單色器將這種光的特征光譜線顯示出來，用光電倍增管探測出特征光譜線是否存在及其強度。這種方法可以迅速地定性或定量地檢查出樣品中的元素。

7/23/202372光電倍增管講解

光電陰極材料和倍增極材料中一般都含有銫金屬。當電子束較強時，電子束的碰撞會使倍增極和陰極板溫度升高，銫金屬蒸發，影響陰極和倍增極的電子發射能力，使靈敏度下降。甚至使光電倍增管的靈敏度完全喪失。因此，必須限制入射的光通量使光電倍增管的輸出電流不得超過極限值IaM。為防止意外情況發生，應對光電倍增管進行過電流保護，陽極電流一旦超過設定值便自動關斷供電電源。

疲勞與衰老

7/23/202373光電倍增管講解２.熒光分光光度計

熒光分光光度計依據生物化學，特別是分子生物學原理。物質受到光照射，發射長波的發光，這種光稱為熒光。用光電倍增管檢測熒光的強度及光譜特性，可以定性或定量地分析樣品成份。

3.拉曼分光光度計

用單色光照射物質后被散亂，這種散亂光中，只有物質特有量的不同波長光混合在里面。這種散亂光（拉曼光）進行分光測定，對物質進行定性定量的分析。由于拉曼發光極其微弱，因此檢測工作需要復雜的光路系統，并且采用單光子計數法。

7/23/202374光電倍增管講解三、質量光譜學與固體表面分析

固體表面分析

固體表面的成分和結構，可以用極細的電子、離子、光或X射線的束流，入射到物質表面，對表面發出的電子、離子、X射線等進行測定來分析。這種技術在半導體工業領域被用于半導體的檢查中，如缺陷、表面分析、吸附等。電子、離子、X射線一般采用電子倍增器或MCP來測定。

7/23/202375光電倍增管講解四、環境監測

塵埃粒子計數器

塵埃粒子計數器檢測大氣或室內環境中懸浮的粉塵或粒子的密度。它利用了塵埃粒子對光的散亂或β射線的吸收原理。

濁度計

當液體中有懸浮粒子時，入射光會粒子被吸收、折射。對人的眼睛來看是模糊的，而濁度計正是利用了光的透過折射和散射原理，并用數據來表示的裝置。

7/23/202376光電倍增管講解五、生物技術

細胞分類

細胞分類儀是利用熒光物質對細胞標定后，用激光照射，細胞的熒光、散亂光用光電倍增管進行觀察，對特定的細胞進行選別的裝置

熒光計

細胞分類的最終目的是分離細胞，為此，有一種用于對細胞、化學物質進行解析的裝置，它稱為熒光計。它對細胞、染色體發出的熒光、散亂光的熒光光譜、量子效率、偏光、壽命等進行測定。

7/23/202377光電倍增管講解六、醫療應用

γ相機

將放射性同位素標定試劑注入病人體內，通過γ相機可以得到斷層圖象，來判別病灶。從閃爍掃描器開始，經逐步改良，γ相機的性能得到快速的發展。光電倍增管通過光導和大面積NaI（Tl）組合成探測器

正電子CT

放射線同位素（C11、O15、N18、F18等）標識的試劑投入病人體內，發射出的正電子同體內結合時，放出淬滅γ線，用光電倍增管進行計數，用計算機作成體內正電子同位素分布的斷層畫面，這種裝置稱為正電子CT。

7/23/202378光電倍增管講解液體閃爍計數

液體閃爍計數應用于年代分析和生物化學等領域。將含有放射性同位素物質溶于有機閃爍體內，并置于兩個光電倍增管之間，兩個光電倍增管同時檢測有機閃爍體的發光。

臨床檢查

通過對血液、尿液中微量的胰島素、激素、殘留藥物及病毒等對于抗原、抗體的作用特性，進行臨床身體檢查、診斷治療效果等。光電倍增管對被同位素、酶、熒光、化學發光、生物發光物質等標識的抗原體的量進行化學測定。

7/23/202379光電倍增管講解七、射線測定

區域檢測儀

可以連續地檢測環境輻射水平。它采用光電倍增管與閃爍體組合的方式，完成對低水平的α射線和γ射線的檢測。

射線測量儀

射線測量儀采用光電倍增管與閃爍體組合的方式完成對低水平的γ射線和β射線的檢測。

7/23/202380光電倍增管講解八、資源調查

石油測井應用

石油測井中用以確定石油沉積位置以及儲量等。內藏放射源、光電倍增管和閃爍體的探頭進入井中，分析放射源被散射的以及地質結構中的自然射線，判斷油井周圍的地層類型及密度7/23/202381光電倍增管講解九、工業計測

厚度計

工業生產中的諸如紙張、塑料、鋼材等的厚度檢測，可以通過包括放射源、光電倍增管和閃爍體的設備來實現。對于低密度物質，比如橡膠、塑料、紙張等，采用β射線源；諸如鋼板等的高密度物質則使用