利用高量子效率光电阴极的科学应用

在许多医学和科学应用中检测到单个光子的低强度信号很重要。因此，Photonis开发了多种光子计数器，包括多MCP光电倍增管（PMT）和混合光电二极管（HPD）。

光电阴极可以被认为是放大器的第一阶段，因此，当解密设备的整体性能时，其特性非常显着。该装置的性质直接受量子效率（QE），暗速度和响应时间的影响。例如，光电阴极的QE主要表征光子检测概率。

光电阴极发射以与光电子相同的方式放大的暗电子，这意味着暗脉冲不能与真正的单光子事件分离。在大多数情况下，设备的时序抖动受到阴极中的光电子在逃逸到真空中的移动时间的限制。在本文中，详细讨论了光电阴极属性，并使用最新的光子Dual-MCP PMT的整体性能Hi-QE光电阴极．

量子效率光谱

图1显示了常规S20光电阴极和Hi-QE系列S20光电阴极在200-700 nm光谱范围内的QE光谱。在270 nm处，std-S20工艺获得了约25%的峰值QE。这些光电阴极具有较宽的灵敏度光谱范围，在700 nm处的QE仍在3%-4%范围内(图1)。相反，较宽的灵敏度范围是以峰值时较低的QE和较高的暗率为代价的。

图1所示。光谱新开发的Hi-QE光电阴量的量子效率：Hi-Qe-UV（深蓝色），Hi-Qe-Blue（浅蓝色）和Hi-Qe-Green（绿色）与标准S20光电阴极（虚红色）相比．

需要注意的是，快速门控光电阴极可以提供网状衬底，从而将门控时间减少到3ns，但同时，它也将平均QE减少了大约10%-15%。

通过Photonis根据客户请求进行Photonis开发了光电膜的Hi-QE系列。使用170nm的高能量截止，在熔融二氧化硅输入窗口上进行高QE光电膜。这些类型的光电阴极在感兴趣的光谱范围内表现出更高的QE值（> 30％）（参见图1）并且还表现出非常低的暗速率（参见图2）。

此外，响应时间远低于100 ps。高QE-uV光电偶极光电偶极光电偶极型用于UV范围，最佳QE，270nm，通常在31％-34％的范围内。这些光电阴极甚至可以在蓝宝石阴极基材上生长，使得可以将敏感性光谱范围延伸至150nm。

高qe -蓝色光电阴极是由PHOTONIS在260-410 nm光谱范围内提供最高的QE。在这个范围内，QE频谱显示了一个稳定期，正常的QE值大于30%。然而，在260 nm以下，减少的QE(与Hi-QE-UV相比)是以在蓝色光谱范围的高灵敏度为代价的。此外，在390-480 nm范围内，hi -QE绿色光电阴极显示的QE值远远高于30%。然而，在500nm处QE值约为25%。

与其他Hi-QE光电阴极相比，Hi-Qe-Green光电也会在长达700nm的较长波长下具有更大的灵敏度。应当注意，这些光电偶像的暗速率保持非常低，类似于其他Hi-QE阴极，无论它们在更长波长的高灵敏度。此功能在该光谱范围内使Hi-QE-Green是一个独占光子计数装置。

高量化光电阴极的暗率

高带隙光电阴极的典型特征是低暗电流，但将暗率降低到几乎为零对于低速率单光子探测是必不可少的。

图2显示了STD-S20室温下的暗速率与时间的演变，最近开发的Hi-QE S20光电阴极。这里，阴极的定位在暗条件下在零时进行。对于所有Hi-QE S20系列光电阴极，暗速率是相同的。如图2所示，在两到三个小时后达到低速率平台。测量的高暗速率最初似乎从长生物表面和散装状态的野心光线从人口中发展，位于费米水平。

图2。标准S20光电阴极(蓝色)和新开发的Hi-QE S20(红色)在~23°C时暗率随时间的变化。极低的暗率< 30 cts/cm²可以通过Hi-QE系列光电阴极实现。

这些状态的释放需要更多的时间，而衰减时间也是探测器性能的一个重要参数。

为了保持低暗速率并快速放电表面和散装状态，对Hi-Qe光电病变改性生长的光阴极方法。常规的宽范围S20光电阴极具有暗速率，接近1000-2000 CTS / cm²，而Hi-QE光电阴极通常只有20-30 cts/cm的暗率²．这里，暗电子速率降低到小于50 cts/cm²在黑暗中10分钟后。

用HI-QE双MCP-PMT进行单/多光子PHD测量

图3显示了脉冲高度分布(PHD)Hi-QE光电阴极和双MCP-PMT，揭示了单光子探测的潜力，并阐明了测量暗率的方法。

采用整形放大器CSA4(增益为10，整形时间为250 ns)、多通道分析仪MCA3(尺度为0.89 mV/chn)和电荷敏感前置放大器CSP10 (1.4 V/pC)记录PHD。32 CHN为设定阈值。为了进行暗率测量，将管置于黑暗条件下，mcp电压设置为增益为1-2E05。测量计数率与时间的关系是下一步。

图3显示的是PHD，这是在低输入背景光照明下通过将计数率保持在几百赫兹来确定的。在这个例子中，一个1625 V的MCP电压(用于双组)被应用以获得1.07E5电子增益。对于所使用的阈值，MCP暗率低于0.2 cps，光电阴极暗率为30 cps/cm²．

图3。利用PHOTONIS的双MCP-PMT和Hi-QE S20光电阴极记录单光子照明的脉冲高度分布(蓝色);高斯曲线(黑色)与实验结果吻合。

在图3中蓝色曲线所示的PHD中，峰值似乎被很好地分离，有一个低能量谷，噪声小于阈值。峰值与高斯曲线(实黑曲线)有很好的相关性。

增益点（“g”）表示PHD的平均能量，其略高于PHD的峰值位置。光子计数管的表征通常使用全宽半最大/增益（w / g）比和峰/谷（p / v）比进行。P /V≈6和w / g的量化值≈0.86非常适用于双MCP PMT。

图4中显示了另一个实例，演示了性能Photonis'MCP-PMT．这里，使用100kHz短脉冲（100ps）离焦激光束照亮光电处理。由于激光强度的显着降低，围绕真空的一堆光电子由少量电子组成。

图4。用PHOTONIS的双MCP-PMT和Hi-QE S20光电阴极(相同的管和设置，如图3所示)记录的脉冲高度分布在很少的光子照明下。拟合曲线是高斯曲线的(1->7)和对应的多(1->7)光电子放大。插图:每条(1-7)高斯曲线(蓝点)的归一化面积。计算红曲线的泊松分布λ≈2.52，作为平均电子数从光电阴极发射的期望值。

如图3所示，使用相同的管和设置来进行测量。蓝色曲线表示测量的PHD，黑色曲线表示合身。拟合是七条高斯曲线的总和（见图4）。从图3中获取第一配件高斯曲线的宽度（W1）和位置（G1），从图3中获取。

其他的高斯曲线对应于光电阴极释放的2到7个光电子的放大。曲线位置设为GN = G₁*N，宽度按W的统计规则进行放大_N= W₁* N^1/2．拟合参数仅是高斯峰的幅度。

对于一电子和双电子光电发射，测量曲线的第一峰和第二峰有明显的分离。对于多电子的短脉冲光电发射，由于PHD宽度在统计上增加了，因此附加峰的分辨率不够好。

在图4中，插入(蓝色点)显示了每个单独峰值的强度(对应于面积)。红色曲线是拟合λ值的泊松分布，预测值为2.52。结果表明，在这类测量中，光电阴极放电的光电子束的平均数量约为2.5。

结论

PHOTONIS设计了高量子效率的紫外，蓝色和绿色S20光电阴极在指定的光谱范围内有高于30%的定量宽松。Hi-QE光电阴极，具有快速响应时间(远低于100 ps)和极低的暗计数率(降至30 cts/cm²)，是完美的光子计数设备。单光子和少量光子照射下的PHD测量证明了PHOTONIS的MCP-PMT光子计数器的高质量。

这些信息是由PHOTONIS Technologies S.A.S.提供的材料来源、审查和改编的欧洲杯足球竞彩

欲了解更多信息，请访问PHOTONIS技术S.A.S.