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光电子技术第十四课 王炜路 TelQQEmail：wlwang@ecit.cn 光电探测器件 一、结构和原理 光电倍增管由光窗、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，其外形如图 课堂测试 课堂测试 * 探测器种类 度量 产生原因 热探测器 周围环境交换热能 温度噪声 all 光敏层的微粒不均匀 1/f 噪声 all 电荷载流子的随机热运动 热噪声 光电导探测器 载流子产生与复合的随机性 产生－复合噪声 all 光电子的随机产生 散粒噪声 精彩回顾 光电效应：真空光电器件、光电导器件及光伏器件 光电倍增管（PMT） 发展趋势：高量子效率，高灵敏度，高响应速度，探测波长向红外延伸，提高有效光电面积（平板型），小型化，降低暗电流和自身噪声，减少放射性物质。使用简单化，价格降低。 应用 医疗（如疾病的早期检查） 实时观察植物新陈代谢和化学物质的移动 图5 水被西红柿植株吸收的过程 宇宙射线探测 测质子衰变（无） 测中微子（12种基本粒子之一） 一千公尺深神冈矿山下 50000吨纯水 内层11200颗PMT 中微子能量 传给水电子 锥形电磁波 水电子速度超过 光在水中的速度 切连可夫辐射 中微子的性质：中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻 （小于电子的百万分之一），以接近光速运动。 几乎不与其他 物质作用，穿透力强，每秒通过眼睛的中微子数以十亿。 中微子产生：核反应，天然放射，超新星，宇宙射线（美国南极 平方公里大冰立方中微子天文望远镜）。 中微子的探测： 切连可夫辐射 利用中微子和镓的 相互作用来探测中微子 中微子的应用：中微子通讯，地球CT扫描 ，恒星天体的结构 三维人体测量 服装工业，医疗行业和运动制品行业。 激光照射在一种材 料上时就会发生拉 曼散射效应，转换 为分子的振动能, 分子的振动频率 是特有的,通过分 析这些散射光,就 能获悉材料的结 构和化学组成特征。 癌症诊断治疗新技术，按分子分离癌细胞和正常细胞 极微弱光信号 电信号 1．光窗 ??? 光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。一般常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。由于光窗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窗材料。 2．光电阴极 ??? 光电阴极多是由化合物半导体材料制作，它接收入射光，向外发射光电子。所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料。 3．电子光学系统 ??? 电子光学系统是适当设计的电极结构，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一级的收集率接近于1；并使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。 4．倍增系统????????????????????????? ??? 倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。 为了表征不同材料的二次电子发射能力，通常将二次发射电子数N2与入射的一次电子数N1的比值定义为该材料的二次发射系数： 显然，阳极电流可表示为： i0——光阴极发出的光电流 n——光电倍增级的级数 倍增极材料： ??? 1）银氧铯和锑铯既是灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体。 ??? 2）氧化物型，主要是氧化镁。 ??? 3）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。 ?? 各种倍增极的结构形式 a) 百叶窗式? b) 盒栅式? c) 直瓦片式? d) 圆瓦片式 5．阳极 ??? 阳极置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。 二、光电倍增管的主要参量与特性 ??? 光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质量好坏的基本依据。分为基本参数（静态参数）、应用参数（动态参数）、运行特性（例行特性）。 ??? 基本参数与管子工作原理、结构特征、材料性质、制造工艺有关。它包括灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应等。 ??? 应用参数与管子应用方法和探测对象有关，反映某种应用的特殊要求。它包括闪烁计数中的脉冲幅度分辨率、噪声能当量、计数坪特性；光子计数中的暗噪声计数、单电子分辨率、峰谷比；快速光脉冲测量中的上升时间、半高宽、渡越时间、时间分辨率等。 ??? 运行特性与管子运行条件、运行环境有关。它表征管子承受的外部条件和使用极限，包括稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰特性、抗冲击振动特性等。 1.灵敏度 ??? 倍增管灵敏度有阴极灵敏度与阳极灵敏度之分。每