光電倍增管原理特性及其應(yīng)用

1、目 錄1概述12結(jié)構(gòu)13電子倍增系統(tǒng)24. 光譜響應(yīng) 25使用材料35.1光陰極材料 35.2窗材料 36.使用特性 46.1. 輻射靈敏度 46.2光照靈敏度 46.3電流放大（增益） 46.4陽極暗電流 56.5 溫度特性 56.6滯后特性 56.7均勻性 56.8時(shí)間特性 57.應(yīng)用舉例 5結(jié)束語 7參考文獻(xiàn)7光電倍增管原理特性及其應(yīng)用摘要：光電倍增管是一種能將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成可測電信號的光電轉(zhuǎn)換器件。本文首先介紹光電倍增管的一般原理，對它的工作原理進(jìn)行較詳細(xì)的描述，然后介紹其組成結(jié)構(gòu)，使用特性及其應(yīng)用，并歸納總結(jié)了幾種常用的光電倍增管光電陰極材料及窗材料，最后介紹了光電倍增管在一些領(lǐng)

2、域的應(yīng)用，如光電測光等。關(guān)鍵詞：光電倍增管；端窗型；側(cè)窗型；光譜響應(yīng)；材料；特性，光電測光。1.概述光電倍增管（PMT）是一種具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測器件。當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)?；谕夤怆娦?yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)的電子真空器件。它利用二次電子發(fā)射使逸出的光電子倍增，

3、獲得遠(yuǎn)高于光電管的靈敏度，能測量微弱的光信號。光電倍增管包括陰極室和由若干打拿極組成的二次發(fā)射倍增系統(tǒng)兩部分（見圖）。 圖1 光電倍增管工作原理圖陰極室的結(jié)構(gòu)與光陰極K的尺寸和形狀有關(guān),它的作用是把陰極在光照下由外光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一打拿極D1的表面上。二次發(fā)射倍增系統(tǒng)是最復(fù)雜的部分。打拿極主要選擇那些能在較小入射電子能量下有較高的靈敏度和二次發(fā)射系數(shù)的材料制成。在各打拿極 D1、D2、D3和陽極A上依次加有逐漸增高的正電壓,而且相鄰兩極之間的電壓差應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于1。這樣,光陰極發(fā)射的電子在D1電場的作用下以高速射向打拿極D1,產(chǎn)生更多的二次發(fā)射電子,于是這些電子

4、又在D2電場的作用下向D2飛去。如此繼續(xù)下去，每個(gè)光電子將激發(fā)成倍增加的二次發(fā)射電子，最后被陽極收集。輸出電流和入射光子數(shù)成正比。整個(gè)過程時(shí)間約 10-8秒。2結(jié)構(gòu)光電倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型和側(cè)窗型兩大類。一般，端窗型和側(cè)窗型結(jié)構(gòu)的光電倍增管都有一個(gè)光陰極。側(cè)窗型的光電倍增管，從玻璃殼的側(cè)面接收入射光，而端窗型光電倍增管是從玻璃殼的頂部接收入射光。大部分的側(cè)窗型光電倍增管使用了不透明光陰極（反射式光陰極）和環(huán)形聚焦型電子倍增極結(jié)構(gòu)，這使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。端窗型（也稱作頂窗型）光電倍增管在其入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明光陰極（透過式光陰極），使其具有優(yōu)于側(cè)

5、窗型的均勻性。 圖2 端窗型光電倍增管 圖3 側(cè)窗型光電倍增管3電子倍增系統(tǒng)現(xiàn)在使用的電子倍增系統(tǒng)主要有以下幾類：【1】 環(huán)形聚焦型 環(huán)形聚焦型結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于側(cè)窗型光電倍增管。其主要特點(diǎn)為緊湊的結(jié)構(gòu)和快速時(shí)間響應(yīng)特性。【2】 盒柵型 這種結(jié)構(gòu)包括了一系列的四分之一圓柱形的倍增極，并因其相對簡單的倍增極結(jié)構(gòu)和一致性的改良而被廣泛地應(yīng)用于端窗型光電倍增管，但在一些應(yīng)用中，其時(shí)間響應(yīng)可能略顯緩慢?！?】 此外還有直線聚焦型，百葉窗型，細(xì)網(wǎng)型，微通道板（MCP）型等。 4.光譜響應(yīng)光電倍增管的陰極將入射光的能量轉(zhuǎn)換為光電子。其轉(zhuǎn)換效率（陰極靈敏度）隨入射光的波長而變。這種光陰極靈敏度與入射光波長之間的

6、關(guān)系叫做光譜響應(yīng)特性。圖4給出了雙堿光電倍增管的典型光譜響應(yīng)曲線。光譜響應(yīng)特性的長波端取決于光陰極材料，短波端則取決于入射窗材料。在本書的附件里給出了不同型號的光電倍增管的光譜響應(yīng)特性，其中長波端的截止波長，對于雙堿陰極和Ag-O-Cs陰極的光電倍增管定義為其靈敏度降至峰值靈敏度的1%點(diǎn)，多堿陰極則定義為峰值靈敏度的0.1%。圖4 端窗型雙堿光電倍增管典型光譜響應(yīng)曲線5使用材料5.1光陰極材料光電倍增管的陰極一般是具有低逸出功的堿金屬材料形成的光電發(fā)射面。常用的陰極材料有以下幾種：【1】 Ag-O-Cs用此材料的透過型陰極具有典型的S-1譜，即具有從可見到紅外（300-1200nm）的譜響應(yīng)。

7、因?yàn)锳g-O-Cs陰極有較高的熱電子發(fā)射（請參考陽極暗電流章節(jié)），所以這種光電倍增管一般要在制冷器中工作，用于近紅外區(qū)的光探測。【2】GaAs（Cs）摻入活性Cs的GaAs材料也可以用作光陰極。這種光陰極比多堿光陰極復(fù)蓋更寬的光譜范圍，可以從近紫外到930nm，并且響應(yīng)曲線在300-850nm范圍內(nèi)較為平直?！?】 此外還有InGaAs（Cs），Sb-Cs，雙堿材料（Sb-Rb-Cs）（Sb-K-Cs）等。5.2窗材料【1】 硼硅玻璃這是一種常用的玻璃材料，可以透過從近紅外至300nm的入射光，但不適合于紫外區(qū)的探測。在一些應(yīng)用中，常將雙堿陰極與低本低硼硅玻璃（也稱無鉀玻璃）組合使用。無鉀玻璃

8、中只有極低含量的鉀，其中的K40會造成暗計(jì)數(shù)。所以通常用于閃爍計(jì)數(shù)的光電倍增管不僅入射窗，而且玻璃側(cè)管也使用無鉀玻璃，就是為了降低暗計(jì)數(shù)?！?】 合成石英合成石英可以將透過的紫外光波長延伸至160nm，并且在紫外區(qū)比熔融石英玻璃有更低的吸收。合成石英材料的膨脹系數(shù)與芯柱用玻璃的膨脹系數(shù)有很大差別，所以，用熱膨脹系數(shù)漸變的封接材料與合成石英逐漸過渡。因此，此類光電倍增管的強(qiáng)度易受外界震動的破壞，使用中要采取足夠的保護(hù)措施?！?】 氟化鎂（鎂氟化物）   圖5 幾種不同窗材料的典型透過率該材料具有極好的紫外線透過性，但同時(shí)也有易潮解的不利因素。盡管如此，氟化鎂仍以其接近115n

9、m的紫外透過能力而成為一種實(shí)用的光窗材料。 6.主要使用特性6.1輻射靈敏度QE=s*1240/*100%  如圖4所示，光譜響應(yīng)經(jīng)常以不同波長下的輻射靈敏度和量子效率來表示。輻射靈敏度（S）即為某一波長下的光電倍增管陰極發(fā)射出的光電子電流與該波長的入射光能量的比值，單位為A/W（安培/瓦）。量子效率（QE）為光陰極發(fā)射出來的光電子數(shù)量與入射光光子的數(shù)量之比。一般用百分比來表示量子效率。在給定波長下輻射靈敏度和量子效率有如下關(guān)系： 這里S為給定波長下的輻射靈敏度，單位為A/W，為波長，單位為nm（納米）。 6.2光照靈敏度陰極光照靈敏度是使用鎢燈產(chǎn)生的2856K色溫光測試的

10、每單位通量入射光（實(shí)際用10-510-2Lm）產(chǎn)生的陰極光電子電流。陽極光照靈敏度是每單位陰極上的入射光通量（實(shí)際用10-1010-5Lm）產(chǎn)生的陽極輸出電流（經(jīng)過二次發(fā)射極倍增后）。雖然同樣是用鎢燈，測量時(shí)所加電壓要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。當(dāng)光電倍增管具有相同或相似的光譜響應(yīng)范圍時(shí)，這些參數(shù)顯然很有用。除了對鎢燈產(chǎn)生的光沒有響應(yīng)的Cs-I和Cs-Te陰極的管子（這些管子將給出特定波長下的輻射靈敏度）。  陰極和陽極的光照靈敏度都是以A/Lm（安培/流明）為單位，流明是在可見光區(qū)的光通量的單位，所以對于光電倍增管的可見光區(qū)以外的光照靈敏度數(shù)值可能是沒有實(shí)際意義的（對于這些光電倍增管，

11、常常使用藍(lán)光靈敏度和紅白比來表示）。6.3電流放大（增益）光陰極發(fā)射出來的光電子被電場加速撞擊到第一倍增極，以便發(fā)生二次電子發(fā)射，產(chǎn)生多于光電子數(shù)目的電子流。這些二次電子發(fā)射的電子流又被加速撞擊到下一個(gè)倍增極產(chǎn)生又一次的二次電子發(fā)射，連續(xù)地重復(fù)這一過程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射被陽極收集，從而達(dá)到了電流放大的作用。這時(shí)可以觀測到，光電倍增管的陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流，已經(jīng)被放大成較大的陽極輸出電流。電流增益就是光電倍增管的陽極輸出電流與陰極光電子電流的比值。在理想情況下，具有n個(gè)倍增極，每個(gè)倍增極的平均二次電子發(fā)射率為的光電倍增管的電流增益為n。二次電子發(fā)射率由下式給出：=A·

12、E這里的A為一常數(shù)，E為極間電壓，為一由倍增極材料及其幾何結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)，的數(shù)值一般介于0.7和0.8之間。一般的光電倍增管有912個(gè)倍增極，所以陽極靈敏度與所加電壓可以有1061010的變化。光電倍增管的輸出信號也特別地容易受到所加電壓的波動的影響，所以供電電壓一定要有很好的穩(wěn)定性、較小的紋波、漂移和溫度系數(shù)。6.4陽極暗電流光電倍增管在完全黑暗的環(huán)境中仍會有微小的電流輸出。這個(gè)微小的電流叫做陽極暗電流。它是決定光電倍增管對微弱光信號的檢出能力的重要因素。陽極暗電流的主要來源有以下幾種：【1】 電子熱發(fā)射因?yàn)楣怅帢O和倍增極材料具有較低的逸出功，所以在室溫下會發(fā)射出大量的熱電子。大部分的暗電流

13、源于這種熱電子發(fā)射，特別是那些來自光陰極的熱電子，因?yàn)樗鼈円?jīng)過倍增極的放大。將光電倍增管冷卻是降低熱電子發(fā)射的有效手段，這一點(diǎn)對諸如光子計(jì)數(shù)等要求光電倍增管具有極低暗計(jì)數(shù)特性的應(yīng)用顯得及其重要?！?】玻璃殼放電和玻璃熒光當(dāng)光電倍增管負(fù)高壓使用時(shí)，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場強(qiáng)度，尤其是金屬屏蔽層于處于負(fù)高壓的陰極之間的電場最強(qiáng)。在強(qiáng)電場下玻璃殼可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象或出現(xiàn)玻璃熒光，放電和熒光都會引起暗電流，而且還將嚴(yán)重破壞信號?！?】此外, 還有殘留氣體電離（離子反饋）,漏電電流,場致發(fā)射等。 6.5溫度特性降低光電倍增管的環(huán)境溫度，可以減少熱電子發(fā)射，從而降低暗電流。光電倍增管的靈敏度也受到溫度

14、的影響。在紫外和可見光區(qū)，光電倍增管的溫度系數(shù)為負(fù)值，到了長波截止波長附近則呈正值。6.6滯后特性當(dāng)工作電壓或入射光產(chǎn)生變化之后，光電倍增管會有一個(gè)幾秒鐘到幾十秒鐘的不穩(wěn)定輸出過程。在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，輸出信號會有些微的過脈沖或欠脈沖現(xiàn)象這個(gè)不穩(wěn)定的過程叫做滯后，滯后特性在分光光度測試中應(yīng)予以重視。滯后特性是由于二次電子偏離預(yù)定軌道和電極支撐物、玻殼等的靜電荷引起的。當(dāng)工作電壓或入射光產(chǎn)生改變時(shí)，就會出現(xiàn)明顯的滯后。6.7均勻性均勻性是指入射光照射光陰極的不同位置時(shí)的靈敏度變化。盡管光電倍增管在結(jié)構(gòu)、電子軌跡等的設(shè)計(jì)上考慮將陰極和倍增極產(chǎn)生的二次電子有效地收集到第一倍增極或下一倍增極上，但在聚

15、焦和放大過程中仍然會有電子偏離預(yù)定軌道，造成收集效率的降低。這種收集效率的降低，受光電子從陰極上發(fā)射出來的位置的影響，從而反應(yīng)出了光電倍增管的均勻性。當(dāng)然，均勻性也取決于光陰極本身表面鍍層的均勻特點(diǎn)。6.8時(shí)間特性在測試脈沖光信號時(shí)，陽極輸出信號必須真實(shí)地再現(xiàn)一個(gè)輸入信號的波形。這種再現(xiàn)能力受到電子渡越時(shí)間、陽極脈沖上升時(shí)間和電子渡越時(shí)間分散（TTS）的很大影響。時(shí)間響應(yīng)特性取決于倍增極結(jié)構(gòu)和工作電壓。7.應(yīng)用舉例1.PET掃描圖像顯示了許多疾病的早期征兆 在醫(yī)學(xué)上，作為一種全身檢查工具,PET正逐漸用于癌癥,心臟病,甚至癡呆的早期普查和診斷.其測量原理如圖所示，在患者的體內(nèi)注入的是放射性物質(zhì)

16、，它將放射出正電子，這些射線由人體周圍排列的光電倍增管PMT與閃爍體組合的探測器接收，可以確定患者體內(nèi)淬滅電子的位置，得到一個(gè)CT像。通過掃描可以將其中正電子發(fā)射放射性同位素檢測出來，使得符合計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)發(fā)生不一樣的變化，通過對比，在形成的PET全身掃描圖像中有明顯的不一樣，則可以推斷身體的對應(yīng)部位發(fā)生病變，對廣大群眾的健康檢測也提供了一個(gè)很好的檢查途徑。最新技術(shù)發(fā)展水平的PMT應(yīng)用在PET上,極大推進(jìn)了PET的發(fā)展,使它靈敏度更高,響應(yīng)速度更快，未來健康檢查將會取得更加顯著的效果.2.光電測光 因光電倍增管的線性響應(yīng)和采用高精度的電子測試儀器，在天文中，光電測光是準(zhǔn)確度和靈敏度最高的測光方法，

17、一般精度達(dá)到0.010.005個(gè)星等之間，較差測量時(shí)，可達(dá)0.001個(gè)星等。光電測光時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)墓怅@，讓星像位于光闌中，記取儀器讀數(shù)，此數(shù)減去光闌對準(zhǔn)夜天背景(見夜天光)時(shí)的讀數(shù)，即為星光產(chǎn)生的儀器響應(yīng)。這個(gè)響應(yīng)同星光成正比，可由此響應(yīng)按星等定義直接求觀測系統(tǒng)的星等。通常將此星等歸算為大氣外的星等并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。光電測光所得到的星等稱為光電星等。近年制成能同時(shí)測量幾個(gè)波帶或同時(shí)測量變星和比較星的多通道光電光度計(jì)，同電子計(jì)算機(jī)直接聯(lián)系起來，能迅速得到結(jié)果。光電測光適宜于測定星等標(biāo)準(zhǔn)，測量恒星亮度的快速變化，進(jìn)行多色測光。這是目前應(yīng)用最廣泛的測光方法對于一般的應(yīng)用，大量光子進(jìn)入光電倍增管并在陽

18、極輸出大量的的脈沖序列。陽極輸出是一個(gè)的帶有波動的直流信號。當(dāng)入射光強(qiáng)逐漸降低，以至于入射的光子分散，這種狀態(tài)稱作單光子（或光電子）情況。輸出的脈沖數(shù)與入射光成正比例，并且對這些脈沖計(jì)數(shù)的方法在信噪比和穩(wěn)定性等方面，優(yōu)于采用平均脈沖的電流測定方法。這個(gè)對脈沖計(jì)數(shù)的光量測量技術(shù)叫做光子計(jì)數(shù)法。單光子計(jì)數(shù)法原理圖如圖所示，在弱光下，光電倍增管的電流來源于光子碰撞光陰極產(chǎn)生的光電子發(fā)射，并經(jīng)倍增后在陽極形成電脈沖輸出。光子檢測裝置的核心是光電倍增管，其各電極之間均加有規(guī)定值較高的直流電壓。當(dāng)光子打到光陰極時(shí)，由于光電效應(yīng)的作用，其表面可以產(chǎn)生能量微弱的游離電子，稱為光電子；該電子在直流高壓產(chǎn)生的電場作用下離開光陰極，同時(shí)被加速，再次打到打拿極上并產(chǎn)生出能量更大數(shù)量更多的光電子，就這樣經(jīng)過多個(gè)打拿極的反復(fù)放大，最后使陽極產(chǎn)生電脈沖信號，該信號經(jīng)前置放大器放大，在經(jīng)比較器去除噪聲信號，最后由分頻器換算出光子脈沖數(shù)。結(jié)束語光