超快响应光电探测器时间响应特性的研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国电子科技集团公司第五十五研究所 作者:王晓耘

  近年来,在高速电脉冲的记录和外理方面,随着高速示波器技术不断进步,其模拟带宽和脉冲冲击响应已不再是制约快物理过程时间行为测量的主要因素。而目前的光电探测器时间响应特性与当前示波器技术的发展不相匹配,不能满足科学研究领域对时间行为测量精度的要求。用于短光脉冲探测和测量的核心器件有真空光电探测器及半导体光电探测器两类。较之半导体光电二极管,真空光电探测器机理简单、明确,特别是它具有良好的线性和动态范围,非常适合短光脉冲时间行为和快物理过程时间行为的定量测量。另外,在国民经济的各个领域也可广泛应用,如在可见光或近红外波段用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等。

1、超快响应光电探测器基本工作原理

  被测激光信号透过输入窗和网状阳极照射到光电阴极表面,使其产生光电子,在高电场的作用下,光电子高速运动至阳极,被阳极收集形成电脉冲,电脉冲信号经过匹配转换组件及同轴信号传输系统的传输,供观测和记录。探测器等效示意图如图1所示。

  时间响应特性的设计是基于电子光学、光电子学、半导体物理、电真空材料等基础理论的综合设计。通过超快时间响应特性的机理研究,建立完备的计算模型,为实现超快时间特性打下理论基础。

2、超快时间响应特性的机理研究

2.1、工作电压、极间距离、上升时间、脉冲下降时间等多个参数之间的相关性研究

  在脉冲条件下使用时,特别是在精确测量时间间隔、记录快脉冲形状和记录高计数率的脉冲信号的情况下,快响应光电管的时间响应显得尤为重要。因此,凡是与这些物理过程有关的因素都可能影响快响应光电管的时间特性,例如,光阴极受照情况、入射光强和波长、工作电压,特别是快响应光电管的结构都会影响器件的时间响应特性。

光电管的时间响应用渡越时间tτ、上升时间tr、下降时间tf 等三个参数表示。

① 渡越时间tτ

  在快响应光电管中,可以把光电阴极与阳极等效为一个双平面电容,电子的渡越时间由下列公式表示:

  式中:d 为极间距离;U 为工作电压;m、q 分别为电子质量和电子电荷。代入上式,简化后得:

(1)

  在脉冲输出前沿部分,从峰值的10%到90%的时间间隔称为上升时间。在双平面光电管中,上升时间约为渡越时间的80%,即:

tr = 0.8 tτ (2)

③ 下降时间tf

  它表示输出脉冲后沿从峰值的90% ~10%的时间间隔。快响应光电管极间电容为Cpk,下降时间由下列公式求得:

tf = 2.2R×Cpk (3)

  式中:R 为同轴电路的负载电阻(相对快响应光电管而言)为25Ω。我们把光电管的阴极-阳极看作一个平板电容,其极间电容CPK 由下式求得:

CPK= εO .S/d (4)

  式中:εO 为真空介电常数(8.86 × 10-12 F/m);S 为光电阴极面积(mm2);d 为极间距离(m)。

  根据计算公式(1)、(2),得到一组工作电压、极间距离与脉冲上升时间的数据,用图1表示。根据计算公式(3)、(4),得到一组光电阴极直径、输出等效电容和脉冲下降时间的数据,用图2 表示。

2.2、阳极结构设计计算与专题试验

  对于超快响应光电管,阳极的形状通常设计成平面栅网。对阳极的基本要求是:①.高空间透过率,通常≥80%;②.阳极栅网所形成的等效平面应连续、均匀(阴-阳极双平面之间形成平面等位面);③.栅网的网格(图3 中的d)及网线宽度应适当,即满足阳极高透过率的要求,同时符合制作工艺要求。

  网线越细、线条间距越小,阳极栅网所形成的等效平面越趋于均匀连续;相同宽度网线时,若增加线条间距,虽然提高了空间透过率,但存在较大的“边缘”效应,导致在阴极-阳极之间不能形成平面等位面,使光电子在阴极-阳极之间的运动轨迹发生改变,影响光电管的时间响应特性。基于上述分析,开展栅网结构专题及其制作工艺专题。

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