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五南文化事業4.1光電陰極一、光電陰極的主要參數1.靈敏度(1)光照靈敏度(2)色光靈敏度(3)光譜靈敏度就是局部光譜區域的積分靈敏度。它表示在某些特定的波長區，通常用特性已知的濾光片（藍色為QB24、紅色為HB11、紅外為HWB3）插入光路，然後測得的光電流與未插入濾光片時陰極所受光照的光通量之比。根據插入濾光片的光譜透射比的不同（圖4-1），它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏度。五南文化事業2.量子效率量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法。它們之間的關係如下(4.1)：式中λ單位為nm；S(λ)為光譜靈敏度，單位為A/W。3.光譜響應曲線光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關係曲線，稱為光譜響應曲線。真空光電元件中的長波靈敏度極限，主要由光電陰極材料的截止波長決定。4.熱電子發射光電陰極中有少數電子的熱能大於光電陰極游離能，因而產生熱電子發射。室溫下典型陰極每秒每平方厘米發射二個數量級的電子，相當於10∼10Acm的電流密度。這些熱發射電子會引起雜訊，限制著感測器的靈敏度極限。五南文化事業二、銀氧銫（Ag-O-Cs）光電陰極銀氧銫陰極是最早出現的實用光電陰極。目前，除了Ⅲ-Ⅴ族的光電陰極外，它仍然是在近紅外區具有使用價值的唯一陰極。銀氧銫陰極是以Ag為基底，氧化銀為中間層，上面再有一層帶有過剩Cs原子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子組成，可用Ag−CsOAgCs-Cs的符號表示，如圖4-2⒜所示。有一些光電元件也有不用氧化，而是用硫化，或以鹼金屬代替銫原子，目的都是希望得到高的響應率及合適的光譜響應範圍。Ag-O-Cs光電陰極的光譜響應曲線如圖4-2⒝所示。五南文化事業三、單鹼銻化物光電陰極銻銫陰極的典型光譜響應曲線如圖4-3所示。它在可見光的短波區和近紫外區（0.3∼0.45μm）響應度最高，其量子效率可達25%，截止波長在0.65μm附近；它的典型光照靈敏度達60μA/lm，比銀氧銫陰極高得多。CsSb陰極的熱電子發射（約10A/cm）和疲勞特性均優於銀氧銫陰極，而且製造技術簡單，目前使用比較普遍。五南文化事業四、多鹼銻化物光電陰極五、紫外光電陰極六、負電子親和力光電陰極現以Si-CsO光電陰極為例加以說明，它是在p型Si的基質材料上塗一層極薄的金屬Cs，經特殊處理而形成n型CsO。表面為n型的材料有豐富的自由電子，基底為p型材料有豐富的電洞，它們相互擴散形成表面電荷局部耗盡。與p-n接面情況類似，耗盡區的電位下降E，造成能帶彎曲，如圖4-4⒝所示。五南文化事業圖4-4⒜分別表示p型Si和n型CsO兩種材料的能帶圖。本來p型Si的發射臨界值是，電子受光激發進入導電帶後需克服親和力才能游離出表面。現在由於表面存在n型薄層，使耗盡區的電位下降，表面電位降低。光電子在表面附近受到耗盡區內建電場的作用，從Si的導電帶底部漂移到表面CsO的導帶底部。此時，電子只需克服就能游離出表面。對於p型Si的光電子需克服的有效親和力為(4.2)五南文化事業(1)量子效率高(2)光譜響應延伸到紅外、光譜響應率均勻由（3.74）式可知，正電子親和力光電陰極的臨界值波長為(4.3)而負電子親和力光電陰極的臨界值波長為(4.4)(3)熱電子發射小(4)光電子的能量集中實用的負電子親和力光電陰極有GaAs、InGaAs、GaAsP等，其光譜響應曲線如圖4-5所示。五南文化事業4.2光電管與光電倍增管的工作原理一、光電管光電管主要由光電陰極和陽極兩部分組成，因管內有抽成真空或充入低氣壓惰性氣體的不同，所以有真空型和充氣型兩種。它的工作電路如圖4-6所示，陰極和陽極之間加有一定的電壓，且陽極接正，陰極接負。五南文化事業二、光電倍增管光電倍增管是一種真空光電元件，它主要由光入射窗口、光電陰極、電子光學系統、倍增極和陽極組成，如圖4-7⒜所示。光電倍增管的工作原理如圖4-7⒝所示。為了使光電子能有效地被各電極收集並通過各倍增極倍增，陰極與第一倍增極、各倍增極之間以及末級倍增極與陽極之間都必須施加一定的電壓。最普通的形式是外接一系列電阻，在陰極和陽極之間加上適當的高壓，陰極接負，陽極接正，使各電極之間獲得一定的偏壓，如圖4-7⒝。五南文化事業1.入射窗口和光電陰極結構光電倍增管通常有側窗和端窗兩種形式，如圖4-8所示。側窗型光電倍增管是透過管殼的側面接收入射光，而端窗式光電倍增管是透過管殼的端面接收入射光。側窗式光電倍增管一般使用反射式光電陰極，而且大多數採用鼠籠式倍增極結構，如圖4-9⒜所示。端窗式光電倍增管通常使用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內側面。如圖4-9⒝所示。五南文化事業光電倍增管的短波靈敏度一般受窗口材料限制。常用的窗口材料有下列幾種：(1)硼矽玻璃(2)透紫外玻璃(3)熔融石英（熔融二氧化矽）(4)藍寶石(5)MgF2圖4-10是常用幾種窗口材料的光譜透射比曲線。光電倍增管的光譜響應特性主要由窗口材料和光電陰極材料決定，因此在使用時應根據窗口和陰極材料的特性，選擇相應的管子。五南文化事業實用光電倍增管的陰極光譜響應特性如圖4-11和表4-1所示。五南文化事業五南文化事業五南文化事業2.電子光學系統下面介紹幾種典型的結構和性能。圖4-12⒜是最簡單的電子光學系統。圖⒜中：1是光電陰極；2是與光電陰極同電位的金屬筒或鍍在玻璃殼上的金屬導電層；3是帶孔膜片；4是第一倍增極。五南文化事業在圖4-12(b)系統中約為10ns，為了使小型光電倍增管的倍增極合理安排在管殼內（具有對稱性），充分利用玻璃管內的空間，同時保證有高的電子收集率，可採用圖4-12⒝所示電子光學系統。圖中增加了斜劈式圓柱筒電極4，該電極固定在偏心的帶孔膜片上，其軸線與陰極的軸線之間的夾角常取20°。這種結構的性能與前者相近。五南文化事業圖4-12⒞所示的是性能最好的一種結構，它採用了球面形光電陰極，並附加了3個圓筒形電極。此時，陰極表面電位分布比較均勻，而且從陰極中心和邊緣發射的電子的軌跡長度相差甚小，可使穿越時間的離散性接近於零。五南文化事業3.電子倍增極(1)二次電子發射不同材料的二次電子發射能力是不一樣的。為表徵材料的這種能力，通常把二次發射的電子數與入射的一次電子數的比值定義為該材料的二次發射係數σ，即(4.5)材料的二次發射係數隨一次電子的能量不同而改變，圖4-13表示與的一般關係。開始時隨的增大而增大，直到達到最大值，隨後若繼續增大，的值卻反而減小。五南文化事業圖4-14是幾種倍增極材料的二次電子發射特性曲線。常用的倍增極材料有：(1)複雜的半導體型(2)合金型(3)負電子親和力型五南文化事業(2)倍增極結構根據電子倍增極的結構形式，目前光電倍增管分成六種形式，如圖4-15所示。(1)鼠籠式(2)直線聚焦式(3)盒柵式(4)百葉窗式(5)近貼柵網式(6)微通道板式五南文化事業4.陽極陽極結構比倍增極系統簡單得多，它的作用是接收從末級倍增極發射出的二次電子，通過引線向外輸出電流。對於陽極的結構要求具有較高的電子收集率，能承受較大的電流密度，並且在陽極附近的空間不致產生空間電荷效應。此外，陽極的輸出電容要小，即陽極與末級倍增極及與其它倍增極間的電容要很小，因此目前陽極廣泛採用柵網狀結構。五南文化事業4.3光電倍增管的主要特性參數一、靈敏度1.光譜響應一般手冊上給出光電倍增管的光譜響應的波長範圍、峰值波長以及光譜響應曲線代碼。我國規定的代碼由三部分組成：第一部分表示光電陰極形式；第二部分表示陰極材料的種類；第三部分表示光窗材料，如表4-3所示。五南文化事業實際使用中還應注意環境溫度對光電倍增管光譜響應的影響。圖4-16⒜和⒝分別表示銻銫光電陰極和多鹼光電陰極的光電倍增管光譜響應曲線與溫度的關係。五南文化事業2.陰極光照靈敏度由4.1節中的定義可知，若入射到光電陰極面上的光通量為，陰極輸出的光電流為，那麼陰極的光照靈敏度為(4.6)光電倍增管陰極光照靈敏度的測量原理如圖4-17所示。五南文化事業設光源的發光強度為，光電陰極面的面積為A，陰極面離光源的距離為。光電倍增管接收到的光通量(4.7)由（4.6）式可算出陰極光照靈敏度3.陽極光照靈敏度陽極光照靈敏度表示光電倍增管在接收分布溫度為2856K的光輻射時陽極輸出電流與入射光通量的比值，即(4.8)光電倍增管的陽極光照靈敏度通常採用圖4-18所示的系統測試。五南文化事業二、放大倍數（增益）前面已談到，光電倍增管倍增極的二次電子發射係數與一次電子的加速電壓有關。當電壓在幾十∼幾百伏範圍時，可用下式表示：(4.9)如果光電倍增管有級倍增極，那麼光電陰極發射的光電流經過各級倍增極倍增後，從陽極輸出的電流(4.10)式中ε0為電子光學系統的收集率；ε1、ε2…εn和σ1、σ2…σn分別為第1、2、…n級倍增極的電子收集率和二次電子發射係數。同時，假定陽極電子收集率為1，如果各倍增極的ε和σ均相等，那麼光電倍增管的放大倍數(4.11)五南文化事業將（4.9）式代入上述式子中，再假定倍增管均勻分壓，級間電壓Vd相等，那麼放大倍數與光電倍增管所加電壓V的關係為(4.12)從上式可知，光電倍增管的放大倍數和陽極輸出電流隨所加電壓的次方指數變化。因此，在使用光電倍增管時，為了使輸出電流穩定，所加電壓應保持穩定。可作如下計算：(4.13)一般情況下，9∼12，因此得出電壓的穩定度應比測量精度高一個數量級的結論。例如測量精度為1%，所加電源電壓的穩定度應為0.1%。五南文化事業三、暗電流1.暗電流的組成(1)熱電子發射熱電子發射是光電倍增管暗電流的主要部分，根據W.Richardson的研究顯示，熱發射電流與溫度和游離能的關係：(4.14)圖4-19表示幾種陰極材料的光電倍增管陽極暗電流的溫度特性。Ag-O-Cs光電陰極的熱電子發射電流較大，常溫下比多鹼光電陰極要大兩個數量級。紫外光電陰極（Cs-Te、Cs-I）的熱電子發射是最小的。降低熱發射電流的有效方法是降低光電倍增管的工作溫度。從圖4-19可見，當將光電倍增管冷卻到20℃時能有效地減少熱發射電流。五南文化事業(2)極間漏電流(3)殘餘氣體的離子發射(4)玻璃閃爍(5)場致發射從上述暗電流產生的原因可見，它與電源電壓有密切關係，如圖4-20所示。在低電壓時，暗電流由漏電流決定；電壓較高時，主要是熱電子發射；電壓再大，則導致場效發射和殘餘氣體離子發射，使暗電流急遽增加，甚至可能發生自持放電。實際使用中，為了得到比較高的訊噪比S/N，所加的電源電壓必須適當，一般工作在圖4-20的b段。五南文化事業2.減少暗電流方法(1)直流補償暗電流的直流補償方法如圖4-21所示，在光電倍增管輸出陽極回路中加上與暗電流方向相反的直流成分，以補償暗電流的影響。圖中，補償電流(4.15)五南文化事業(2)選頻和鎖相放大(3)致冷通常光電倍增管的工作電壓為600∼1300V，由圖4-20可知，熱電子發射是暗電流的主要成分。(4)電磁屏蔽法(5)磁場散焦法五南文化事業四、噪聲光電倍增管的雜訊主要有光電元件本身的散粒雜訊、閃爍雜訊以及負載電阻的熱雜訊等。1.散粒雜訊光電陰極發射的平均電流由信號電流和暗電流組成，即(4.16)如前所述，IKS=Φ．SK，而由熱電子發射、漏電流、離子發射、玻璃閃爍和場效發射等因素造成的。由陰極電流產生的散粒雜訊(4.17)於是，作為第一倍增極的一次電流將等於信號電流和雜訊電流之和，即(4.18)五南文化事業假定通過每一倍增極的倍增系均為，那麼經過第一倍增極的放大，陰極發射的平均電流放大到，而雜訊將由二部分組成，一部分是由產生的新雜訊源，另一部分是原有雜訊的放大，於是第一倍增極後電流中的雜訊依此類推可求出陽極電流為，而陽極電流雜訊為(4.19)2.閃爍雜訊3.電阻熱雜訊這類雜訊主要來自負載電阻或運算放大器的回饋電阻和運算放大器輸入阻抗。於是熱雜訊電流(4.20)五南文化事業總雜訊的平方等於散粒雜訊、閃爍雜訊及電阻熱雜訊的平方之和，假定略去第二種雜訊，於是可得到倍增管輸出信號的訊噪比。(4.21)如果選用的倍增管放大係數很大，則實際計算結