高性能船水动力原理与设计总结

第三章光电信息转换§3.1光电信息转换器件§3.2光电信息转换集成器件§3.3光电信息转换组合器件1上一张章首下一张结束节首2上一张章首下一张结束节首3上一张章首下一张结束节首4上一张章首下一张结束节首§3.1.1光电培增管光电培增管是外光电效应探测器，把微弱的入射光转换成光电子，并获得培增的重要的真空光电发射器件。一．结构与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等五个主要部分组成，其外形如图。1、结构5上一张章首下一张结束节首6上一张章首下一张结束节首2、工作原理光子透过入射窗口入射到光电阴极上光电阴极的电子受光子激发，离开面发射到真空中光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次。经过倍增后的二次电子由阳极A收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。hKAD1D2DnR1R2RnRlV07上一张章首下一张结束节首二．组成部分1、光窗光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。通常有侧窗和端窗两种，侧窗一般使用反射式光电阴极，而端窗一般使用半透明光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面。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。如：硼硅玻璃，其透射光谱范围从300nm到红外熔融石英，其透紫外波长可达到160nm8上一张章首下一张结束节首9上一张章首下一张结束节首2、光电阴极它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体，它决定了倍增管光谱特性的长波阈值，同时也决定了整管的灵敏度。3、电子光学系统主要有两方面的作用：①使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其它部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比，一般用电子收集率o表示。②使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越时间尽可能相等，使渡越时间差异最小，以保证光电倍增管的快速响应，一般渡越时间的离散性△t用表示。10上一张章首下一张结束节首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的，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。（1）二次发射电子具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子，种现象称为二次电子发射。轰击材料的入射电子称为一次电子。（2）倍增极的原理及结构11上一张章首下一张结束节首4、倍增系统12上一张章首下一张结束节首－－由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键部分作用－－倍增10-15级倍增极4、倍增系统13第三章光电信息转换上一张章首下一张结束节首入射光照射到光电阴极K上，发射光电子，经电子光学系统加速，聚焦到倍增极上，发射出多个二次电子；电子经n级倍增极，形成放大的阳极电流，在负载RL上产生放大的信号输出。4、倍增系统14第三章光电信息转换上一张章首下一张结束节首如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出σ个二次电子，那么很明显地：式中，I—阳极电流；i0—光阴极发出的光电流；n—光电倍增极的级数。光电倍增管的电流放大系数β可用下式表示:β==图为倍增管各电极的连接线路。为简单起见，只画了四个倍增极。倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型倍增系统倍增极的结构形式有直瓦片式、圆瓦片式；非聚焦倍增系统倍增极的结构形式有百叶窗式和盒栅式。15上一张章首下一张结束节首（3）倍增极结构光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成，光电倍增管按倍增极结构可分为聚焦型与非聚焦型两种。非聚焦型光电倍增管有百叶窗型（图a）与盒栅式（图b）两种结构；聚焦型有瓦片静电聚焦型（图c）和圆瓦片式（图d）两种结构。16上一张章首下一张结束节首倍增极结构形式特点聚焦型直瓦片式极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性。圆瓦片式结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。非聚焦型百叶窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间零散较大。盒栅式收集率较高（可达95%），结构紧凑，但极间电子渡越时间零散较大。（3）倍增极结构17上一张章首下一张结束节首阳极作用：－－收集最末一级倍增极发射出来的二次电子，向外电路输出电流。结构：－－具有较高电子收集率，能承受较大电流密度，在阳极附近空间不产生空间电荷效应。阳极广泛采用栅网状结构。18第三章光电信息转换上一张章首下一张结束节首光电倍增管分类1.按进光方式：A侧窗式B端窗式；19上一张章首下一张结束节首2.电极工作方式：A透射式B反射式；3.倍增极数目：A单极B多极；4.倍增极系统结构：A盒状B圆笼式C百叶窗式D直线瓦片式5.光电阴极材料：CsSb、Ag-O-Cs、多碱光电倍增管分类20上一张章首下一张结束节首三、光电倍增管的主要特性参数1．灵敏度2．电流增益3．光电特性4．光谱特性5．伏安特性6．时间特性7．暗电流8．疲劳特性9．噪声21第三章光电信息转换上一张章首下一张结束节首1、光电特性阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。在相当宽的范围内为直线。当光通量很大时，特性曲线开始明显偏离直线。在工作时阴极不能有强光照射，否则易损坏管子。因它的灵敏度高，光电倍增管允许测量非常小的光通量，或所需放大器的级数可以较少。22上一张章首下一张结束节首2、光谱特性图中示出了锑钾铯（Sb-K-Cs）光电阴极的光谱特性，最灵敏的光谱波长约在4000埃处。同时还要注意环境温度对光电倍增管光谱相应的影响。23上一张章首下一张结束节首3、伏安特性阳极伏安特性定义为：当入射光通量一定时，阳极电流Ia与最后一级倍增极和阳极之间电压U的关系。相应于不同光通量值的阳极伏安特性示于图中，它表示阳极电流Iα对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。作此曲线时，其余各电极的电压保持恒定。24上一张章首下一张结束节首4、放大特性光电倍增管的电流放大系数β或灵敏度随电源电压U增大的关系，称为放大特性。随着电源电压升高，电子在电场中的速度加快，动能增大，电子在倍增电极中可打出更多的二次发射电子，因而放大系数或灵敏度增大。工程上有时利用这一性质来自动调节光电倍增管的灵敏度。25上一张章首下一张结束节首5、频率特性光电倍增管的频率特性很好，f高达106HZ或更高时仍能保持高的灵敏度。6、疲乏特性光电倍增管在工作过程中灵敏度要降低，其原因是最后几极倍增极的疲劳。曲线1和2各画出了相应于横坐标所给阳极电流Iα值，经过20分钟和40分钟后的灵敏度降低的情况。管子工作的头几分钟，疲劳得最快，以后疲劳过程就逐渐缓慢了。即使阳极电流非常微弱，还是有疲劳现象，只是灵敏度的降低相当慢而已。若测量过程中，阳极电流不超过1毫安，则每次测量后，把管子放在暗室中几昼夜，其灵敏度能恢复到近于初始值。而管子的衰老是不可逆的变化26上一张章首下一张结束节首27上一张章首下一张结束节首7、暗电流光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流。在测量微弱光强时，其影响特别大。暗电流的来源：①光电阴极和光电倍增管的热电子发射②光电倍增管的极间漏电流③场致发射减少暗电流的办法：①采用热电子发射能力弱的光电阴极和倍增极②采用合适的屏蔽减小自然界中辐射线照射③致冷④将入射光调制成一定频率的周期信号，而输出电路中加一选频放大器28上一张章首下一张结束节首29上一张章首下一张结束节首四、光电倍增管的工作电路－－是保证其正常工作的必要条件，在常用的光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。工作电路：高压供电电路分压电阻的确定并联电容的确定高压电源接地方式30第三章光电信息转换上一张章首下一张结束节首四．光电倍增管的供电1、高压供电为了使光电倍增管能正常工作，通常需要在阴极(K)和阳极(A)之间加上近千伏的高压。同时还需要在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间分配一定的极间电压，保证光电子能被有效收集，光电流通过倍增极系统得放大。最常用的分压器是采用一组电阻跨接在阴极与阳极之间。31上一张章首下一张结束节首高压供电电路－－分压电阻的确定总电压UAK在1000～1500V之间，倍增极极间电压UD在80～100V之间－－可以确定分压电阻IRIAmax32第三章光电信息转换上一张章首下一张结束节首高压供电电路－－分压电阻的确定实例：说明：i.第一级对阴极电流形成影响最大,高出20~30Vii.中间级均匀分配iii.最后一级,要高,克服空间电荷区的影响.33第三章光电信息转换上一张章首下一张结束节首高压供电电路－－并联电容的确定探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳－－最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。34第三章光电信息转换上一张章首下一张结束节首四．光电倍增管的供电2、供电电压的极性一般的分压电路中采用阳极接地，负高压供电。如图。这种供电方式的好处：可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差这种供电方式的缺点：由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接地，它们与阴极和倍增极之间存在较高的电位差，结果使某些光电子打到玻壳上产生噪声hKAD1D2DnR1R2RnRlV035上一张章首下一张结束节首高压供电电路－－接地方式缺点：阴极负高压，屏蔽困难，暗电流和噪声大。优点：屏蔽罩靠近阴极，效果好；暗电流小，噪声低阳极接地（负高压接法）阴极接地(正高压接法)优点：便于与后面放大器相连，操作安全缺点：高压不利于安全操作；接耐压很高的隔直电容器。36第三章光电信息转换上一张章首下一张结束节首光电倍增管应用举例闪烁计数器：闪烁晶体（NaI）+光电倍增管PET系统注入放射性物质，放射正电子，同周围的电子结合淬灭，射出511kev的γ射线,由探测器接收，可确定体内淬灭电子位置，得到CT像。37第三章光电信息转换上一张章首下一张结束节首光电倍增管应用举例滨松生产的高通量（high-throughput）PET系统38第三章光电信息转换上一张章首下一张结束节首包着梦想往前飞不逃避不后悔Writeintheend,sendasentencetoyou,withdreamsflyforward,donotescape,donotregret感谢您的聆听上一张章首下一张结束节首为方便回顾课程，本课件可以直接查阅，请在下载后进行温习。Fortheconvenienceofreviewingthecoursecontent,thiscoursewarecanbeconsulteddirectly,pleasereviewafterdownloading.上一张章首下一张结束节首