CN109273345B - 非接触物体表面电荷光电倍增管放大器 - Google Patents

非接触物体表面电荷光电倍增管放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非接触物体表面电荷光电倍增管放大器，属于信号检测技术领域。其原理是入射光的强度决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，则光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，光电流也随之增大；同样，如果入射光强度不变，金属表面电荷增加，使得光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，光电子采用电倍增管将电子数不断倍增，阳极最后收集到的电子可增加104～108倍，因光电倍增管高灵敏度和低噪声的特点，可检测样品表面微弱电荷信号，将在电荷检测领域获得广泛应用。

Description

非接触物体表面电荷光电倍增管放大器
技术领域
本发明涉及一种非接触物体表面电荷光电倍增管放大器，属于信号检测技术领域。
背景技术
电荷放大器的主要作用是要把电荷量变成与之相应的输出电压，要求输入阻抗极高，输出对输入具有良好的积分关系。其实电荷放大器也是运算放大器，不同的是电荷放大器与普通运算放大器还有是差异的：输入端用了Li-COMS工艺，使输入的偏流极小，基本都是fA级别。输入级相对比较弱，因为电荷放大器输入阻抗问题，内部都没有ESD等保护电路。放大器的带宽都很窄，因为低漏电MOS管的低压低漏电特性，但MOS管的动态性能与跨导都不高。电路其实用低偏流运算放大器也能达到要求，压电片是静电特性元件，输出频呼特性也是非常的好，但是输出阻抗与频率有一定关系。但压电片还是有一定的输出阻抗，只是非常的高，运算放大器的输入阻抗直接影响压电片的灵敏度（阻抗匹配）。在电荷放大器的电路中，普遍采用的是运算放大器。电荷放大器一般是对电荷量进行检测，要求电荷有积分效应，例如压电传感器在受到压力的时候，产生电荷，电荷量随压力的不同而不同。这类电荷的检测，电荷量和运算放大器是相互接触的。还有一类检测，就是物体表面电荷量进行检测，这一类的检测物体表面的电荷密度越大，电压越高，而且在检测的时候，不能破坏物体表面电荷密度的形态，这类特殊的要求使得检测过程中，传感器和物体的表面不能接触，因此需要非接触式的传感器，而且由于物体表面的电荷量所产生的电压极其微弱，同时又要满足非接触式的要求，这一类的检测目前还没有有效的手段，对于静电荷的检测，通常只能使用静电计，显然静电计无法满足要求，因此这种问题有待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触物体表面电荷光电倍增光放大器。
本发明的技术方案是：一种非接触物体表面电荷光电倍增管放大器，由电荷探测光电阴极、光输入系统、倍增极、阳极、电源系统、电子倍增系统信号输出端构成；一种非接触物体表面电荷光电倍增管放大器的前端为电荷探测光电阴极，电荷探测光电阴极前端面截面积S，被测物体表面电荷密度为ne/ΔS，ΔS为被测面积，ne为ΔS上的电荷量，满足S>ΔS，S=ΔS*105%-120%，感应距离0.001～1mm之间；电荷探测光电阴极后端面为弧形，恒定光输入系统的恒定强度光束是透过玻璃窗口照射到该弧形表面中心区域，光照射阴极产生光电效应发射一次电子，倍增极D是由光电发射材料金属制成，电子从光电阴极到各个倍增极D1、D2... Dn，n≧6的正整数，再到阳极上，电源系统在D1、D2... Dn所加的电压是依此递增的，每一个光电阴极上产生的电子，在电场作用下加速、经弧面聚焦，依次轰击D1、D2...Dn，产生更多的电子，经过6个或更多的倍增极后到达阳极，经倍增的光电子被阳极收集而输出光电流，在负载上产生信号电压A，构成电子倍增系统信号输出端。
非接触物体表面电荷光电倍增管内部抽真空，电荷探测光电阴极整体采用金属制成，电荷探测光电阴极后端面采用光电发射金属材料镀膜。
恒定光输入系统的光束在工作期间为恒定强度光束，光源频率为固定频率，可根据探测电荷强度来调整光照强度。
电子倍增系统信号输出端设置有滤波装置。
工作原理：当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，电流也随之增大；同样，如果入射光强度不变，那么金属表面电荷增加，使得光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，电流也随之增大。被光束照射到的电子会吸收光子的能量，但是其中机制遵照的是一种非全有即全无的判据，光子所有能量都必须被吸收，用来克服逸出功，否则这能量会被释出。假若电子所吸收的能量能够克服逸出功，并且还有剩余能量，则这剩余能量会成为电子在被发射后的动能。
逸出功W是从金属表面发射出一个光电子所需要的最小能量。如果转换到频率的角度来看，光子的频率必须大于金属特征的极限频率，才能给予电子足够的能量克服逸出功。逸出功与极限频率v0之间的关系为：W=h*v0，其中，h是普朗克常数，是光频率为h*v0的光子的能量。克服逸出功之后，光电子的最大动能Kmax为Kmax=hv-W=h（v-v0）其中，hv是光频率为v的光子所带有并且被电子吸收的能量。
实际要求动能必须是正值，因此，光频率必须大于或等于极限频率，光电效应才能发生。为避免产生过大的光电流，掩盖实际的电荷信号，本发明所使用的光的频率略大于极限频率，光的照度尽可能的降低，需要进行反复对比实验来确定光照的强度，使得光电效应能够表征被测物体表面电荷的密度。
本发明采用倍增极型光电倍增管：倍增极型光电倍增管由光阴极、倍增级和阳极等组成，由玻璃封装，内部高真空，其倍增级又由一系列倍增极组成，每个倍增极工作在前级更高的电压下。光子撞击光阴极材料，克服了光阴极的功函数后产生光电子，经电场加速聚焦后，带着更高的能量撞击第一级倍增管，发射更多的低能量的电子，这些电子依次被加速向下级倍增极撞击，导致一系列的几何级倍增，最后电子到达阳极，电荷累计形成的尖锐电流脉冲可表征输入的光子。
在测试过程中，电荷探测光阴极（4）由金属制成，当电荷探测光阴极（4）靠近被测物体（1）表面时，被测物体表面存在测试电荷（2），电荷探测光阴极（4）前端会产生感应电荷（3），为正电荷，电荷探测光阴极（4）后端所产生感应电荷为负电荷，光输入系统（5）光线照射到电荷探测光阴极（4）后端面，产生外光电效应，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。由于它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。光电倍增管包括阴极室和由若干倍增极（6）组成的二次发射倍增系统两部分（见图）。阴极室的结构与光阴极K的尺寸和形状有关，它的作用是把阴极在光照下由外光电效应产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一倍增极D1的表面上。二次发射倍增系统是最复杂的部分。倍增极主要由那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。常用的倍增极材料有锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。倍增极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。在各倍增极（6）D1、D2、D3…和阳极A上依次加有逐渐增高的正电压，而且相邻两极之间的电压差应使二次发射系数大于1。这样，光阴极发射的电子在D1电场的作用下以高速射向倍增极D1，产生更多的二次发射电子，于是这些电子又在D2电场的作用下向D2飞去。如此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极收集。这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子，它们再次被聚焦在第二次极。这样，一般经十次以上倍增，放大倍数可达到108～1010。最后，在高电位的阳极收集到放大了的光电流。输出电流和入射光子数成正比。整个过程时间约10-8秒。光电倍增管有两个缺点：①灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低，停止照射后又部分地恢复，这种现象称为“疲乏”；②光阴极表面各点灵敏度不均匀。
运行特性
1.稳定性
光电倍增管的稳定性是由器件本身特性、工作状态和环境条件等多种因素决定的。管子在工作过程中输出不稳定的情况很多，主要有：
a.管内电极焊接不良、结构松动、阴极弹片接触不良、极间尖端放电、跳火等引起的跳跃性不稳现象，信号忽大忽小。
b.阳极输出电流太大产生的连续性和疲劳性的不稳定现象。
c.环境条件对稳定性的影响。环境温度升高，管子灵敏度下降。
d.潮湿环境造成引脚之间漏电，引起暗电流增大和不稳。
e.环境电磁场干扰引起工作不稳。
2.极限工作电压极限工作电压是指管子所允许施加的电压上限。高于此电压，管子产生放电甚至击穿。
有益效果
本发明光电倍增建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上，结合了高增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件，可以工作在紫外、可见和近红外区的光谱区。具有噪声低（暗电流小于1nA）、响应快、接收面积大等特点，具有良好的发展潜力。
附图说明
图1为本发明主视剖面结构示意图。
图中各标号为：1.被测物体；2.测试电荷；3.感应电荷；4.电荷探测光电阴极；5.光输入系统；6.倍增极；7.阳极；8.电源系统；9.电子倍增系统信号输出。
具体实施方式
实施例1：本发明的技术方案是：包括由电荷探测光电阴极4、光输入系统5、倍增极6、阳极7、电源系统8、电子倍增系统信号输出端9构成；一种非接触物体表面电荷光电倍增管放大器的前端为电荷探测光电阴极4，电荷探测光电阴极4前端面截面积S，被测物体1表面电荷密度为ne/ΔS，ΔS为被测面积，ne为ΔS上的电荷量，满足S>ΔS，S=ΔS*105%-120%，感应距离0.001～1mm之间；电荷探测光电阴极4后端面为弧形，恒定光输入系统5的恒定强度光束是透过玻璃窗口照射到该弧形表面中心区域，光照射阴极产生光电效应发射一次电子，倍增极6D是由光电发射材料金属制成，从光电阴极K到各个倍增极D1、D2...再到阳极7上，电源系统8所加的电压是依此递增的，光电阴极K上产生的每一个电子，在电场作用下加速、经弧面聚焦，轰击第二个倍增极D2，产生更多的二次电子...，经过6个或更多的倍增极后到达最后一个倍增极，即阳极7，经倍增的光电子被阳极7收集而输出光电流，在负载上产生信号电压A，构成电子倍增系统信号输出端9。
非接触物体表面电荷光电倍增管内部抽真空，电荷探测光电阴极4整体采用金属制成，电荷探测光电阴极4后端面采用光电发射金属材料镀膜。
恒定光输入系统5的光束在工作期间为恒定强度光束，光源频率为固定频率，可根据探测电荷强度来调整光照强度；电子倍增系统信号输出端9设置有滤波装置。
由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输出电流和入射光子及阴极表面电子数成正比，其优点是：测量精度高，可以测量电荷的快速变化。可选用锑铯光阴极的倍增管，如RCA1P21。这种光电倍增管的极大量子效率在4200埃附近，为20%左右。还有一种双碱光阴极的光电倍增管，如GDB-53。它的信噪比的数值较RCA1P21大一个数量级，暗流很低。
普通光电倍增管一次只能测量一个信息，即通道数为1。由于通道数受阳极末端细金属丝的限制，只做到上百个通道，但这足以满足微弱电荷变化的探测。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种非接触物体表面电荷光电倍增管放大器，其特征在于：由电荷探测光电阴极（4）、光输入系统（5）、倍增极（6）、阳极（7）、电源系统（8）、电子倍增系统信号输出端（9）构成；一种非接触物体表面电荷光电倍增管放大器的前端为电荷探测光电阴极（4），电荷探测光电阴极（4）前端面截面积S，被测物体（1）表面电荷密度为ne/ΔS，ΔS为被测面积，ne为ΔS上的电荷量，满足S>ΔS，S=ΔS*105%-120%，电荷探测光电阴极（4）的感应距离0.001～1mm之间；电荷探测光电阴极（4）后端面为弧形，光输入系统（5）的恒定强度光束是透过玻璃窗口照射到该弧形表面中心区域，光照射电荷探测光电阴极产生光电效应发射一次电子，倍增极（6）D是由光电发射材料金属制成，电子从光电阴极（4）到各个倍增极D1、D2...Dn，n≧6的正整数，再到阳极（7）上，电源系统（8）在D1、D2...Dn所加的电压是依此递增的，每一个光电阴极（4）上产生的电子，在电场作用下加速、经弧面聚焦，依次轰击D1、D2...Dn，产生更多的电子，经过6个或更多的倍增极后到达阳极（7），经倍增的光电子被阳极（7）收集而输出光电流，在负载上产生信号电压A，构成电子倍增系统信号输出端（9）；光输入系统（5）的光束在工作期间为恒定强度光束，光源频率为固定频率，可根据探测电荷强度来调整光照强度；电子倍增系统信号输出端（9）设置有滤波装置。
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