第2章 光輻射信息探測器件及其使用

光輻射探測器件是將光輻射信號轉換成電信號的器件，其性能對光電信息系統的性能影響很大，如縮小系統的體積、減輕系統的重量、增大系統的作用距離等。因此，需了解其性能及其使用。根據光輻射探測器件對輻射作用方式的不同（或說工作機理的不同），可分為以下兩大類。

（1）光電探測器件

有光電發射型探測器件（光電管和光電倍增管）；半導體光電導型（光敏電阻）和光伏型（光電池與光電二極管、三極管等）探測器件。它們的特點是：①響應波長有選擇性，因這些器件都存在某一截止波長λ0，超過此波長，器件無響應；②響應速度快，一般為納秒（ns）到幾百微秒（μs）；③峰值靈敏度高，其比探測率D*= 1010～1016 cm·Hz1/2/W，即探測率己達到背景限；④長波段探測需低溫致冷。

（2）熱電探測器件

常用的有：熱釋電探測器、熱敏電阻、熱電偶和熱電堆等。它們的特點是：①響應波長無選擇性，即它對從可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感；②響應慢，即吸收輻射產生信號需要的時間長，一般在幾毫秒（ms）以上；③靈敏度低，其探測率只有背景限的1/10，理想的D*接近1.81×1010 cm·Hz1/2/W；④無需致冷，可在室溫下工作。

2.1 真空光電探測器件及其使用

真空光電探測器件的主要性能取決于輸入的輻射光照射的光電陰極，即光電發射材料。因此，在介紹這類光電發射型器件之前，先討論一下光電發射材料。

2.1.1 光電發射材料

1. 光電發射材料的類型及其應具備的條件

光電發射材料大體可分為：純金屬材料；表面吸附一層其他元素原子的金屬；半導體材料三類。從光電發射效應原理可知，一個良好的光電發射材料應具備的條件是：①光吸收系數大；②光電子在體內傳輸過程中受到的能量損失小，使其逸出深度大；③表面勢壘低，使表面逸出概率大。因此，凡滿足上述條件的材料，就會得到較高的量子效率。

大多數金屬的光譜響應都在紫外或遠紫外區，只能適應對紫外靈敏的光電器件。但是，半導體光發射材料的光吸收系數比金屬要大得多；由于體內自由電子少，散射能量損失小，所以它的量子效率比金屬大得多，其光發射波長延伸至可見光和近紅外波段范圍。

20世紀70年代以后，在半導體光電發射材料的基礎上，發展了一種負電子親和勢光電陰極，其長波限延伸至1.6 μm。量子效率明顯提高。

2. 常用的經典光電發射材料

常用的經典光電發射材料作的光電陰極如下：

（1）銀氧銫（AgOCs）陰極

銀氧銫陰極是最早出現的一種對近紅外光靈敏的實用的光電陰極，其光譜響應特性如圖2-1所示。由圖可知，它有兩個峰值：一個在紫外區0.35 μm；另一個在近紅外區0.9 μm處，長波限可達1.2 μm。顯然，可見光區的靈敏度較低，近紅外區的靈敏度較高，因而主要應用于近紅外探測，但量子效率極低（僅1%），暗電流大。

（2）銻銫（CsSb）陰極

它較常用，其量子效率高，在藍光區峰值量子效率高達30%，比AgOCs的效率高30倍。在可見光區，它的積分響應度可達70～150 μA/lm。長波限在0.7 μm左右，并可延伸，但光譜響應范圍較窄，對紅光和紅外不靈敏。目前廣泛用于紫外和可見光區的光電探測器中。由于 CsSb 陰極的電阻比多堿光電陰極的電阻較低，可以通過較大的電流，因而適于測量較強的入射光。

（3）多堿光電陰極

當銻和幾種堿金屬形成化合物時，具有較高的響應度，其中有雙堿、三堿和四堿等，統稱多堿光電陰極。典型的有：①銻鉀鈉（NaKSb）陰極，光譜響應與銻銫陰極相近。其最大特點是能耐高溫，工作溫度可達175℃，而一般含銫陰極的溫度不能超過60℃，因而該陰極可用于石油勘探等特殊場合，并且其熱電子發射很小，室溫下為10-17～10-18 A/cm2，光電疲勞效應也小，因此也常用于光子計數技術中。②銻鉀鈉銫（NaKSbCs）陰極，從紫外到近紅外的光譜區都具有較高的量子效率，經特殊處理其峰值響應波長可由0.42 μm擴展到0.6 μm，長波限可延伸到0.93 μm，光照靈敏度可達400 μA/Lm，是一種具有更高穩定性、疲勞效應很微小的高靈敏度與寬光譜響應的器件，適用于寬帶光譜測量儀。

（4）紫外光電陰極

在某些應用中，為了消除背景輻射的影響，要求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，常稱為“日盲”陰極。這里，關鍵在于采用什么合適的窗口材料，僅可使紫外輻射透過而射向光電陰極。目前，比較實用的“日盲”光電陰極有碲化銫（AsTe）和碘化銫（CsI）兩種，這兩種材料對太陽和地表輻射不敏感，在紫外區，它們有有限寬的光譜響應范圍（100～280nm）。其中，碲化銫（AsTe）陰極的長波限在320nm，碘化銫（CsI）陰極的長波限則在200nm。

由于軍事攻擊目標的紫外輻射強于太陽的紫外輻射（如飛機等的尾焰），因而在軍事上能用于探測和跟蹤的目標鎖定；又由于人體的指紋印、體液（如血液、精液與唾液）與違禁的火藥、麻醉品等對紫外光具有特殊的吸收、反射、散射及熒光特性，因而能用于公安的偵測取證與安全防范。

3. 負電子親和勢材料

常規光電陰極都屬于正電子親和勢（PEA）類型，其表面的真空能級位于導帶之上。但如果對半導體的表面進行特殊處理，使表面區域能帶彎曲，讓真空能級降到導帶之下，就可使有效的電子親和勢為負值。經過這種特殊處理的陰極，稱為負電子親和勢（Negative Electron Affinity，NEA）光電陰極。

NEA與前述的光電陰極相比，具有的特點是：①高吸收，低反射性質；②在常規光電陰極的光譜響應區中有高得多的量子效率，η（λmax）=50%～60%；③“冷”電子發射光譜能量分布較集中，接近高斯分布，即能量分散性小，用于成像器件分辨率極高，且惰性小；④光譜響應率均勻，即光譜響應曲線較為平坦；⑤光譜響應延伸到紅外，可到1 μm以上；⑥熱電子發射小，一般只有10-16 A/cm2，因它的禁帶寬度較光譜響應類似的常規陰極寬；⑦暗電流小，從室溫冷卻到-20℃時，暗電流下降3個數量級；⑧在可見、紅外區，能獲高響應度（積分響應度可達2 μA/lm），紫外區不突出；⑨工藝復雜，售價昂貴。

由此看出，NEA是一種極具前景的新型光電發射材料，它已推動光電陰極進一步發展。

顯然，利用光電陰極加上收集電子的陽極即可組成簡單的真空光電管。由于這種器件目前已基本被半導體光電器件所取代，因此就不再進行介紹了。

2.1.2 光電倍增管（PMT）

光電倍增管（Photo-Multiple Tube，PMT）是一種建立在光電效應、二次電子發射和電子光學理論基礎上的有電子倍增機構的真空光電管。由于它把微弱入射光轉換成光電子，內增益極高，是目前靈敏度最高的一種光電發射型的光電探測器件。

1. 光電倍增管的結構與類型

光電倍增管主要由光入射窗、光電陰極、電子光學系統（光電陰極到第一個倍增極 D1之間的系統，也稱為電子透鏡）、二次發射倍增系統及陽極等部分組成。

光電倍增管通常有端窗式和側窗式兩種形式：端窗式光電倍增管倍增極的結構如圖2-2 （a）、（b）、（c）所示，光通過管殼的端面入射到端面內側光電陰極面上；側窗式光電倍增管倍增極的結構如圖2-2（d）所示，光通過玻璃管殼的側面入射到安裝在管殼內的光電陰極面上。光電倍增管按倍增極結構又可分為聚集型與非聚集型兩種：聚焦型就是由前一倍增極來的電子被加速和會聚在下一倍增極上，在兩個倍增極之間可能發生電子束交叉的結構，如圖2-2（c）所示的瓦片靜電聚集與圖2-2（d）所示的圓形鼠籠兩種結構；非聚焦型形成的電場只能使電子加速，電子軌跡是平行的，如圖2-2（a）所示的百葉窗型與圖2-2（b）所示的盒柵型兩種結構。

實際上，倍增極即二次電子發射極。它能將以一定動能入射來的電子（或稱為光電子）增大δ倍。顯然δ＞1，稱其為二次電子發射系數，即一個入射電子所產生的二次電子的平均數。若一次倍增極電子數增加δ倍，如果n個倍增極，則陽極收集的電子數就是原來的δn倍。一般，光電發射性能好的材料也具有二次電子發射功能。常用的倍增極材料有銻化銫（CsSb）、氧化的銀鎂合金（AgMgO[Cs]）、銅-鈹合金（鈹的含量為2%）、負電子親和勢材料GaP[Cs]等。其中，負電子親和勢材料在電壓為1000V時，其倍增系數一般大于50，甚至高達200。

2. PMT的供電電路

光電倍增管 PMT 的供電電路如圖2-3所示。使用時根據入射輻通量的大小來調節電源（一般達千伏以上），從而使PMT工作在線性區內。

（1）分壓電路

由于PMT的倍增極多，通常采用電阻鏈分壓。為使各級電壓穩定，一般分壓電路的電流IR為陽極電流 Ia的20～50倍，這樣才能使分壓網絡的電流穩定。越是線性要求高，IR越要大，如果線性度要高于±1%，最大輸出電流必須控制在分壓電流的1/100以內。但IR與Ia不是倍數越大越好，因為分流太大會使分壓電阻發熱而使管子溫度增加，從而增加噪聲。一般常用分壓器的阻值選擇范圍為20～50kΩ。

在直流信號工作時，為了增加最大線性輸出，除減小分壓電阻的阻值來增加分壓電流IR外，還可在最后一個倍增極與陽極間使用一只齊納二極管代替分壓電阻，如有必要在倒數第二、三級也可使用齊納二極管。

在脈沖狀態工作時，為了改善線性，通常在分壓器的最后三級的分壓電阻上并聯去耦電容，從而可為脈沖持續期間的 PMT 提供電荷，以避免倍增極和陽極間的電壓下降，使脈沖信號工作狀態下的線性得以顯著改善。

由于PMT的倍增極D很大，對于直流狀態的應用，一般采取線性分壓方式；而對脈沖狀態的應用，則用非線性分壓方式。通常，電壓不均勻分布時分壓器選取：①光電陰極K與第一倍增極D1間電壓要足夠高。因為D1電壓高些可提高收集效率，得到大的次級發射，減小散差，使信噪比S/N增加。②中間相鄰兩極間采用均勻分壓。③最后三級間通常也加較高電壓。這樣可收集前級的電子，不致于造成空間電荷，從而使管子過早飽和，靈敏度下降，線性區縮小。為了避免大脈沖工作最后幾級瞬間電流使分壓電阻壓降變化很大的缺點，一般需在最后三級并聯C1、C2與C3三個電容器。它們之間的關系大約為

式中，δ為倍增極的二次發射系數。當輸入光脈沖寬度為tn，輸出脈沖電流峰值為Iam時，則電荷量 又 ，所以 ，而 （極間電壓變化量），因此

設

式中，UD為極間電壓；L為電源電壓的穩定度或所求的線性百分率。則可得

由式（2-4）算出C1后，即可根據δ值由式（2-1）計算出C2和C3。

（2）供給電源

由于PMT的Sa與M都隨工作電壓的變化而變化，因此要求供給電源非常穩定。一般要求電壓的變化與放大倍數M的變化有下列關系

對于現在常用的倍增極材料，β=10，所以電源電壓的穩定度比放大倍數的穩定度要高一個數量級。通常，高壓電源的穩定性必須達到測量精度的10倍以上，電壓的紋波系數一般應小于0.001%。

PMT的饋電方法通常有二種：①陽極接地的負高壓接法。陽極信號輸出方便，可以直流輸出。但由于陰極屏蔽困難，陽極輸出暗電流和噪聲較大。②陰極接地的正高壓接法。這時陽極信號輸出必須通過耐高壓、噪聲小的隔直流電容器，因此只能得到交變信號輸出。但可得到較低的暗電流及噪聲。

上述兩種方法各有優劣，一般根據實際使用要求選取。

3. PMT的輸出電路

PMT可作為理想的電流源，其等效電路如圖2-4所示，圖中，CL為輸出電容。一般，PMT 輸出端接約1m長的同軸電纜，則CL約為100pF。由式（2-5），只要我們知道f上，即可求出所需的負載電阻RL。即

由此可見，即使 PMT 和輸出端放大電路能有較高的響應速度，其響應能力還是被限制在輸出電路決定的上限截止頻率f 上以內。如果負載電阻RL不必要地增大，將導致末倍增極與陽極間電壓的下降，從而增加空間電荷，使輸出線性變壞。實際上，要確定一個最佳的負載電阻RL，還必須要考慮連接到PMT上的放大器的輸入阻抗Z入。因為PMT的實際有效負載電阻是RL與Z入的并聯值，這個并聯值要小于RL值。

由上分析可知，選擇負載電阻RL時，要注意以下三個方面：①當頻率響應要求較高時，負載電阻RL盡可能選小一些；②當輸出信號的線性要求較高時，應使信號電流在所選的負載電阻RL上產生的壓降在幾伏以下；③通常，選擇的負載電阻RL比放大器的輸入阻抗要小得多。

2.1.3 MCP光電倍增管

微通道板（MCP）是一種重要的二維電子圖像倍增極，它是利用固體材料在電子的撞擊下能夠發射出更多電子的特性來實現電流倍增的，因而用微通道板代替一般光電倍增管中的電子倍增器，就可構成微通道板（MCP）光電倍增管。這種光電倍增管的尺寸大為縮小，不僅電子渡越時間很短，陽極電流的上升時間幾乎降低了一個數量級，且有可能響應更窄的脈沖或更高的頻率輻射，因而能夠代替一般光電倍增管用于需要高性能的場合。

微通道板是由成千上萬根直徑為10～30 μm、長度為0.5～1.5mm的微通道排成的二維列陣，即微小單通道玻璃管（電子倍增器）彼此平行地集成為片狀盤形薄板，如圖2-5所示。由圖2-5可知，每個單通道電子倍增器實際上是一塊通道內壁具有良好二次發射性能和一定導電性能的微細空心通道玻璃纖維面板。這些微通道的長度與孔徑之比的典型值為50。在微通道板的兩個端面（即微通道板的兩個環面）鍍有 Ni 層，形成輸入電極和輸出電極。在微通道板的外緣帶有加固環，微通道通常不垂直于端面，而具有7°～15°的斜角。通常，一塊通道板包含有數百萬根通道管，也可以說是數百萬像素，因而可以使圖像的亮度增加幾千乃至上萬倍。

一般，微通道板由含有鉛、鉍等重金屬的硅酸鹽玻璃拉伸成直徑較小的玻璃纖維棒，再經燒結切成圓片而成。微通道的內壁具有半導體的電阻率（109～1011 Ω·cm）和良好的二次電子發射系數。這樣，當兩電極間加上電壓時，管道內壁有數量為 μA量級的電流流過，使管內沿軸向建立起一個均勻的加速電場。當光電子以一定角度從管子一端射入時，射入通道的電子及由其碰撞管壁釋放出的二次電子，在這個縱向電場和垂直于管壁的出射角的共同作用下，將沿著管軸曲折前進，從而碰撞出幾何級數增加的電子，如圖2-6所示。這樣，電子在細長的管內徑中經多次曲折可獲得107～108的增益，超過一般光電倍增管的水平。顯然，這種通道電子倍增器的電子增益與管壁內的電子發射材料有關，與通道的長徑比有關，與通道所加電壓有關，但與通道的大小無關。因此，它可以做得極小，如果將其并列起來組成陣列，也就可以用來傳遞顯示圖像了。

MCP光電倍增管具有電流增益高，暗電流小，時間響應快等優點，因而被廣泛應用于激光光譜儀、熒光光譜儀、核物理研究、光學儀器、激光雷達、物理化學分析和通信等領域。這種MCP光電倍增管，比任何分離電極的倍增極結構具有更快的時間響應，更高的靈敏度。其陽極靈敏度比普通的PMT高一個數量級（可達到107 A/W），又可使暗電流降低兩個數量級。并且，當采用多陽極輸出結構時，在磁場中仍具有良好的一致性和二維探測能力。

2.1.4 光電倍增管的特點及使用要點

由上面介紹的光電倍增管的結構、原理、供電電路與特性參數等可知，光電倍增管的特點為：靈敏度高、惰性小、響應速度快、頻率特性好、線性好、供電電壓高、采用玻璃外殼、抗震性差等。

因此，在使用光電倍增管時，要注意以下使用要點：

● 使用前應了解該器件的特性及所使用器件的極限值，先連接好器件與供電電路，檢查無誤后再開電源，并注意高壓下的安全性與不超過器件的極限值。為了使工作穩定，陽極電流應遠小于給定的額定值。

● 因為是真空光電器件，有玻璃外殼，應注意防震，輕拿輕放。

● 使用時不可用強光照射，因為當光照過強時，一方面會使光電特性的線性變差；另一方面也容易使光電陰極疲勞（輕度疲勞經一段時間可恢復，重度疲勞就不能恢復），從而縮短壽命，甚至損壞，一般光照應控制在2×10-2 lx以內。

● 工作電流不宜過大，一般控制在零點幾到幾十 μA 之間，通常陽極電流在幾 μA 的數量級，不能超過100 μA，以減緩疲勞和老化。因為工作電流大時會燒毀陰極面，或使倍增極二次電子發射系數下降，增益降低，光電線性變差，縮短壽命，嚴重時會燒毀陰極面。

● 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，從而影響動態特性。

● 光電倍增管在使用前應接通高壓電源放置黑暗中幾小時，不用時也應儲存在黑暗中，以獲得良好的工作穩定性。

● 光電倍增管不能在有氦氣的環境中使用，因為氦氣分子會滲透到玻璃殼內，而引起電離，產生不必要的附加噪聲。

● 光電陰極和第一個倍增極之間，最后一個倍增極與陽極之間的電壓可獨立于總電壓，用穩壓管進行單獨穩壓。

● 用運算放大器作為光電倍增管輸出信號的電流-電壓變換，可獲得良好的信噪比、線性度和頻率響應特性。

● 如果光電倍增管靈敏度足夠高，在光電陰極前應放置優質的漫射光器，以使入射光均勻地照射全部光電陰極，還可減少因陰極區域靈敏度不同而產生的誤差。

● 高壓電源的穩定性必須達到測量精度的10倍以上，電壓的紋波系數一般應小于0.001%。

● 流過電阻鏈分壓器中的電流至少應大于陽極最大電流的20倍以上，可為1mA數量級；在精密線性（非線性小于1%）測量中，應大100倍以上，但不應過分加大，最好不超過1000倍，以免發熱。

● 為了減小外界磁場與地磁對極間運動電子的作用，在高精度檢測時必須屏磁。如對端窗式光電倍增管可用圓筒屏磁罩，最好使屏蔽筒與陰極處于相同的電位，并要求罩長度超出光陰極面至少半個陰極的直徑。

● 如果要通過制冷以減小暗電流時，制冷溫度不必過低。對銀氧銫陰極可制冷到-77℃，而其他陰極制冷到-20℃即可。制冷過深會導致陰極電阻劇增，使噪聲增加，信噪比下降。

● 在對光譜特性的穩定性要求很高的光電倍增管使用中，應選用存放在黑暗環境中數年后的管子。

● 由于同廠家同型號的光電倍增管很難有相同的光譜特性，且樣本或說明書所給的資料只是一般性的指導，因而在需使用該管的光譜特性時，最好對該管進行單獨測試。