第2章 光辐射信息探测器件及其使用

光辐射探测器件是将光辐射信号转换成电信号的器件，其性能对光电信息系统的性能影响很大，如缩小系统的体积、减轻系统的重量、增大系统的作用距离等。因此，需了解其性能及其使用。根据光辐射探测器件对辐射作用方式的不同（或说工作机理的不同），可分为以下两大类。

（1）光电探测器件

有光电发射型探测器件（光电管和光电倍增管）；半导体光电导型（光敏电阻）和光伏型（光电池与光电二极管、三极管等）探测器件。它们的特点是：①响应波长有选择性，因这些器件都存在某一截止波长λ0，超过此波长，器件无响应；②响应速度快，一般为纳秒（ns）到几百微秒（μs）；③峰值灵敏度高，其比探测率D*= 1010～1016 cm·Hz1/2/W，即探测率己达到背景限；④长波段探测需低温致冷。

（2）热电探测器件

常用的有：热释电探测器、热敏电阻、热电偶和热电堆等。它们的特点是：①响应波长无选择性，即它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感；②响应慢，即吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒（ms）以上；③灵敏度低，其探测率只有背景限的1/10，理想的D*接近1.81×1010 cm·Hz1/2/W；④无需致冷，可在室温下工作。

2.1 真空光电探测器件及其使用

真空光电探测器件的主要性能取决于输入的辐射光照射的光电阴极，即光电发射材料。因此，在介绍这类光电发射型器件之前，先讨论一下光电发射材料。

2.1.1 光电发射材料

1. 光电发射材料的类型及其应具备的条件

光电发射材料大体可分为：纯金属材料；表面吸附一层其他元素原子的金属；半导体材料三类。从光电发射效应原理可知，一个良好的光电发射材料应具备的条件是：①光吸收系数大；②光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其逸出深度大；③表面势垒低，使表面逸出概率大。因此，凡满足上述条件的材料，就会得到较高的量子效率。

大多数金属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。但是，半导体光发射材料的光吸收系数比金属要大得多；由于体内自由电子少，散射能量损失小，所以它的量子效率比金属大得多，其光发射波长延伸至可见光和近红外波段范围。

20世纪70年代以后，在半导体光电发射材料的基础上，发展了一种负电子亲和势光电阴极，其长波限延伸至1.6 μm。量子效率明显提高。

2. 常用的经典光电发射材料

常用的经典光电发射材料作的光电阴极如下：

（1）银氧铯（AgOCs）阴极

银氧铯阴极是最早出现的一种对近红外光灵敏的实用的光电阴极，其光谱响应特性如图2-1所示。由图可知，它有两个峰值：一个在紫外区0.35 μm；另一个在近红外区0.9 μm处，长波限可达1.2 μm。显然，可见光区的灵敏度较低，近红外区的灵敏度较高，因而主要应用于近红外探测，但量子效率极低（仅1%），暗电流大。

（2）锑铯（CsSb）阴极

它较常用，其量子效率高，在蓝光区峰值量子效率高达30%，比AgOCs的效率高30倍。在可见光区，它的积分响应度可达70～150 μA/lm。长波限在0.7 μm左右，并可延伸，但光谱响应范围较窄，对红光和红外不灵敏。目前广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。由于 CsSb 阴极的电阻比多碱光电阴极的电阻较低，可以通过较大的电流，因而适于测量较强的入射光。

（3）多碱光电阴极

当锑和几种碱金属形成化合物时，具有较高的响应度，其中有双碱、三碱和四碱等，统称多碱光电阴极。典型的有：①锑钾钠（NaKSb）阴极，光谱响应与锑铯阴极相近。其最大特点是能耐高温，工作温度可达175℃，而一般含铯阴极的温度不能超过60℃，因而该阴极可用于石油勘探等特殊场合，并且其热电子发射很小，室温下为10-17～10-18 A/cm2，光电疲劳效应也小，因此也常用于光子计数技术中。②锑钾钠铯（NaKSbCs）阴极，从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量子效率，经特殊处理其峰值响应波长可由0.42 μm扩展到0.6 μm，长波限可延伸到0.93 μm，光照灵敏度可达400 μA/Lm，是一种具有更高稳定性、疲劳效应很微小的高灵敏度与宽光谱响应的器件，适用于宽带光谱测量仪。

（4）紫外光电阴极

在某些应用中，为了消除背景辐射的影响，要求光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵敏，而对可见光无响应，常称为“日盲”阴极。这里，关键在于采用什么合适的窗口材料，仅可使紫外辐射透过而射向光电阴极。目前，比较实用的“日盲”光电阴极有碲化铯（AsTe）和碘化铯（CsI）两种，这两种材料对太阳和地表辐射不敏感，在紫外区，它们有有限宽的光谱响应范围（100～280nm）。其中，碲化铯（AsTe）阴极的长波限在320nm，碘化铯（CsI）阴极的长波限则在200nm。

由于军事攻击目标的紫外辐射强于太阳的紫外辐射（如飞机等的尾焰），因而在军事上能用于探测和跟踪的目标锁定；又由于人体的指纹印、体液（如血液、精液与唾液）与违禁的火药、麻醉品等对紫外光具有特殊的吸收、反射、散射及荧光特性，因而能用于公安的侦测取证与安全防范。

3. 负电子亲和势材料

常规光电阴极都属于正电子亲和势（PEA）类型，其表面的真空能级位于导带之上。但如果对半导体的表面进行特殊处理，使表面区域能带弯曲，让真空能级降到导带之下，就可使有效的电子亲和势为负值。经过这种特殊处理的阴极，称为负电子亲和势（Negative Electron Affinity，NEA）光电阴极。

NEA与前述的光电阴极相比，具有的特点是：①高吸收，低反射性质；②在常规光电阴极的光谱响应区中有高得多的量子效率，η（λmax）=50%～60%；③“冷”电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布，即能量分散性小，用于成像器件分辨率极高，且惰性小；④光谱响应率均匀，即光谱响应曲线较为平坦；⑤光谱响应延伸到红外，可到1 μm以上；⑥热电子发射小，一般只有10-16 A/cm2，因它的禁带宽度较光谱响应类似的常规阴极宽；⑦暗电流小，从室温冷却到-20℃时，暗电流下降3个数量级；⑧在可见、红外区，能获高响应度（积分响应度可达2 μA/lm），紫外区不突出；⑨工艺复杂，售价昂贵。

由此看出，NEA是一种极具前景的新型光电发射材料，它已推动光电阴极进一步发展。

显然，利用光电阴极加上收集电子的阳极即可组成简单的真空光电管。由于这种器件目前已基本被半导体光电器件所取代，因此就不再进行介绍了。

2.1.2 光电倍增管（PMT）

光电倍增管（Photo-Multiple Tube，PMT）是一种建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的有电子倍增机构的真空光电管。由于它把微弱入射光转换成光电子，内增益极高，是目前灵敏度最高的一种光电发射型的光电探测器件。

1. 光电倍增管的结构与类型

光电倍增管主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统（光电阴极到第一个倍增极 D1之间的系统，也称为电子透镜）、二次发射倍增系统及阳极等部分组成。

光电倍增管通常有端窗式和侧窗式两种形式：端窗式光电倍增管倍增极的结构如图2-2 （a）、（b）、（c）所示，光通过管壳的端面入射到端面内侧光电阴极面上；侧窗式光电倍增管倍增极的结构如图2-2（d）所示，光通过玻璃管壳的侧面入射到安装在管壳内的光电阴极面上。光电倍增管按倍增极结构又可分为聚集型与非聚集型两种：聚焦型就是由前一倍增极来的电子被加速和会聚在下一倍增极上，在两个倍增极之间可能发生电子束交叉的结构，如图2-2（c）所示的瓦片静电聚集与图2-2（d）所示的圆形鼠笼两种结构；非聚焦型形成的电场只能使电子加速，电子轨迹是平行的，如图2-2（a）所示的百叶窗型与图2-2（b）所示的盒栅型两种结构。

实际上，倍增极即二次电子发射极。它能将以一定动能入射来的电子（或称为光电子）增大δ倍。显然δ＞1，称其为二次电子发射系数，即一个入射电子所产生的二次电子的平均数。若一次倍增极电子数增加δ倍，如果n个倍增极，则阳极收集的电子数就是原来的δn倍。一般，光电发射性能好的材料也具有二次电子发射功能。常用的倍增极材料有锑化铯（CsSb）、氧化的银镁合金（AgMgO[Cs]）、铜-铍合金（铍的含量为2%）、负电子亲和势材料GaP[Cs]等。其中，负电子亲和势材料在电压为1000V时，其倍增系数一般大于50，甚至高达200。

2. PMT的供电电路

光电倍增管 PMT 的供电电路如图2-3所示。使用时根据入射辐通量的大小来调节电源（一般达千伏以上），从而使PMT工作在线性区内。

（1）分压电路

由于PMT的倍增极多，通常采用电阻链分压。为使各级电压稳定，一般分压电路的电流IR为阳极电流 Ia的20～50倍，这样才能使分压网络的电流稳定。越是线性要求高，IR越要大，如果线性度要高于±1%，最大输出电流必须控制在分压电流的1/100以内。但IR与Ia不是倍数越大越好，因为分流太大会使分压电阻发热而使管子温度增加，从而增加噪声。一般常用分压器的阻值选择范围为20～50kΩ。

在直流信号工作时，为了增加最大线性输出，除减小分压电阻的阻值来增加分压电流IR外，还可在最后一个倍增极与阳极间使用一只齐纳二极管代替分压电阻，如有必要在倒数第二、三级也可使用齐纳二极管。

在脉冲状态工作时，为了改善线性，通常在分压器的最后三级的分压电阻上并联去耦电容，从而可为脉冲持续期间的 PMT 提供电荷，以避免倍增极和阳极间的电压下降，使脉冲信号工作状态下的线性得以显著改善。

由于PMT的倍增极D很大，对于直流状态的应用，一般采取线性分压方式；而对脉冲状态的应用，则用非线性分压方式。通常，电压不均匀分布时分压器选取：①光电阴极K与第一倍增极D1间电压要足够高。因为D1电压高些可提高收集效率，得到大的次级发射，减小散差，使信噪比S/N增加。②中间相邻两极间采用均匀分压。③最后三级间通常也加较高电压。这样可收集前级的电子，不致于造成空间电荷，从而使管子过早饱和，灵敏度下降，线性区缩小。为了避免大脉冲工作最后几级瞬间电流使分压电阻压降变化很大的缺点，一般需在最后三级并联C1、C2与C3三个电容器。它们之间的关系大约为

式中，δ为倍增极的二次发射系数。当输入光脉冲宽度为tn，输出脉冲电流峰值为Iam时，则电荷量 又 ，所以 ，而 （极间电压变化量），因此

设

式中，UD为极间电压；L为电源电压的稳定度或所求的线性百分率。则可得

由式（2-4）算出C1后，即可根据δ值由式（2-1）计算出C2和C3。

（2）供给电源

由于PMT的Sa与M都随工作电压的变化而变化，因此要求供给电源非常稳定。一般要求电压的变化与放大倍数M的变化有下列关系

对于现在常用的倍增极材料，β=10，所以电源电压的稳定度比放大倍数的稳定度要高一个数量级。通常，高压电源的稳定性必须达到测量精度的10倍以上，电压的纹波系数一般应小于0.001%。

PMT的馈电方法通常有二种：①阳极接地的负高压接法。阳极信号输出方便，可以直流输出。但由于阴极屏蔽困难，阳极输出暗电流和噪声较大。②阴极接地的正高压接法。这时阳极信号输出必须通过耐高压、噪声小的隔直流电容器，因此只能得到交变信号输出。但可得到较低的暗电流及噪声。

上述两种方法各有优劣，一般根据实际使用要求选取。

3. PMT的输出电路

PMT可作为理想的电流源，其等效电路如图2-4所示，图中，CL为输出电容。一般，PMT 输出端接约1m长的同轴电缆，则CL约为100pF。由式（2-5），只要我们知道f上，即可求出所需的负载电阻RL。即

由此可见，即使 PMT 和输出端放大电路能有较高的响应速度，其响应能力还是被限制在输出电路决定的上限截止频率f 上以内。如果负载电阻RL不必要地增大，将导致末倍增极与阳极间电压的下降，从而增加空间电荷，使输出线性变坏。实际上，要确定一个最佳的负载电阻RL，还必须要考虑连接到PMT上的放大器的输入阻抗Z入。因为PMT的实际有效负载电阻是RL与Z入的并联值，这个并联值要小于RL值。

由上分析可知，选择负载电阻RL时，要注意以下三个方面：①当频率响应要求较高时，负载电阻RL尽可能选小一些；②当输出信号的线性要求较高时，应使信号电流在所选的负载电阻RL上产生的压降在几伏以下；③通常，选择的负载电阻RL比放大器的输入阻抗要小得多。

2.1.3 MCP光电倍增管

微通道板（MCP）是一种重要的二维电子图像倍增极，它是利用固体材料在电子的撞击下能够发射出更多电子的特性来实现电流倍增的，因而用微通道板代替一般光电倍增管中的电子倍增器，就可构成微通道板（MCP）光电倍增管。这种光电倍增管的尺寸大为缩小，不仅电子渡越时间很短，阳极电流的上升时间几乎降低了一个数量级，且有可能响应更窄的脉冲或更高的频率辐射，因而能够代替一般光电倍增管用于需要高性能的场合。

微通道板是由成千上万根直径为10～30 μm、长度为0.5～1.5mm的微通道排成的二维列阵，即微小单通道玻璃管（电子倍增器）彼此平行地集成为片状盘形薄板，如图2-5所示。由图2-5可知，每个单通道电子倍增器实际上是一块通道内壁具有良好二次发射性能和一定导电性能的微细空心通道玻璃纤维面板。这些微通道的长度与孔径之比的典型值为50。在微通道板的两个端面（即微通道板的两个环面）镀有 Ni 层，形成输入电极和输出电极。在微通道板的外缘带有加固环，微通道通常不垂直于端面，而具有7°～15°的斜角。通常，一块通道板包含有数百万根通道管，也可以说是数百万像素，因而可以使图像的亮度增加几千乃至上万倍。

一般，微通道板由含有铅、铋等重金属的硅酸盐玻璃拉伸成直径较小的玻璃纤维棒，再经烧结切成圆片而成。微通道的内壁具有半导体的电阻率（109～1011 Ω·cm）和良好的二次电子发射系数。这样，当两电极间加上电压时，管道内壁有数量为 μA量级的电流流过，使管内沿轴向建立起一个均匀的加速电场。当光电子以一定角度从管子一端射入时，射入通道的电子及由其碰撞管壁释放出的二次电子，在这个纵向电场和垂直于管壁的出射角的共同作用下，将沿着管轴曲折前进，从而碰撞出几何级数增加的电子，如图2-6所示。这样，电子在细长的管内径中经多次曲折可获得107～108的增益，超过一般光电倍增管的水平。显然，这种通道电子倍增器的电子增益与管壁内的电子发射材料有关，与通道的长径比有关，与通道所加电压有关，但与通道的大小无关。因此，它可以做得极小，如果将其并列起来组成阵列，也就可以用来传递显示图像了。

MCP光电倍增管具有电流增益高，暗电流小，时间响应快等优点，因而被广泛应用于激光光谱仪、荧光光谱仪、核物理研究、光学仪器、激光雷达、物理化学分析和通信等领域。这种MCP光电倍增管，比任何分离电极的倍增极结构具有更快的时间响应，更高的灵敏度。其阳极灵敏度比普通的PMT高一个数量级（可达到107 A/W），又可使暗电流降低两个数量级。并且，当采用多阳极输出结构时，在磁场中仍具有良好的一致性和二维探测能力。

2.1.4 光电倍增管的特点及使用要点

由上面介绍的光电倍增管的结构、原理、供电电路与特性参数等可知，光电倍增管的特点为：灵敏度高、惰性小、响应速度快、频率特性好、线性好、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差等。

因此，在使用光电倍增管时，要注意以下使用要点：

● 使用前应了解该器件的特性及所使用器件的极限值，先连接好器件与供电电路，检查无误后再开电源，并注意高压下的安全性与不超过器件的极限值。为了使工作稳定，阳极电流应远小于给定的额定值。

● 因为是真空光电器件，有玻璃外壳，应注意防震，轻拿轻放。

● 使用时不可用强光照射，因为当光照过强时，一方面会使光电特性的线性变差；另一方面也容易使光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲劳就不能恢复），从而缩短寿命，甚至损坏，一般光照应控制在2×10-2 lx以内。

● 工作电流不宜过大，一般控制在零点几到几十 μA 之间，通常阳极电流在几 μA 的数量级，不能超过100 μA，以减缓疲劳和老化。因为工作电流大时会烧毁阴极面，或使倍增极二次电子发射系数下降，增益降低，光电线性变差，缩短寿命，严重时会烧毁阴极面。

● 测量交变光时，负载电阻不宜很大，因为负载电阻和管子的等效电容一起构成电路的时间常数，若负载电阻较大，时间常数就变大，频带将变窄，从而影响动态特性。

● 光电倍增管在使用前应接通高压电源放置黑暗中几小时，不用时也应储存在黑暗中，以获得良好的工作稳定性。

● 光电倍增管不能在有氦气的环境中使用，因为氦气分子会渗透到玻璃壳内，而引起电离，产生不必要的附加噪声。

● 光电阴极和第一个倍增极之间，最后一个倍增极与阳极之间的电压可独立于总电压，用稳压管进行单独稳压。

● 用运算放大器作为光电倍增管输出信号的电流-电压变换，可获得良好的信噪比、线性度和频率响应特性。

● 如果光电倍增管灵敏度足够高，在光电阴极前应放置优质的漫射光器，以使入射光均匀地照射全部光电阴极，还可减少因阴极区域灵敏度不同而产生的误差。

● 高压电源的稳定性必须达到测量精度的10倍以上，电压的纹波系数一般应小于0.001%。

● 流过电阻链分压器中的电流至少应大于阳极最大电流的20倍以上，可为1mA数量级；在精密线性（非线性小于1%）测量中，应大100倍以上，但不应过分加大，最好不超过1000倍，以免发热。

● 为了减小外界磁场与地磁对极间运动电子的作用，在高精度检测时必须屏磁。如对端窗式光电倍增管可用圆筒屏磁罩，最好使屏蔽筒与阴极处于相同的电位，并要求罩长度超出光阴极面至少半个阴极的直径。

● 如果要通过制冷以减小暗电流时，制冷温度不必过低。对银氧铯阴极可制冷到-77℃，而其他阴极制冷到-20℃即可。制冷过深会导致阴极电阻剧增，使噪声增加，信噪比下降。

● 在对光谱特性的稳定性要求很高的光电倍增管使用中，应选用存放在黑暗环境中数年后的管子。

● 由于同厂家同型号的光电倍增管很难有相同的光谱特性，且样本或说明书所给的资料只是一般性的指导，因而在需使用该管的光谱特性时，最好对该管进行单独测试。